CC BY
16TECHNICAL SCIENCE
УДК 666.641
Бтоусов Олег Юршович
маггстр
Миронюк Опекай Володимирович
PhD, доцент
CeidepcbKий Валентин Анатолшович д.т.н., професор Черняк Лев Павлович д.т.н., професор, Нацюнальний технгчнийунгверситет Украти
«КП1 шеш 1горя Сгкорського» DOI: 10.24411/2520-6990-2019-10874 ХАРАКТЕРИСТИКИ ШАМОТУ ДЛЯ ОТРИМАННЯ ПОРИСТО1 КЕРАМ1КИ
Bilousov Oleg
Master's degree Myronyuk Olexiy PhD, Associate Professor Sviderskyy Valentyn Prof. Dr.-Ing. Chernyak Lev
Prof. Dr.-Ing., National Technical University of Ukraine " Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
CHAMOT CHARACTERISTICS FOR POROUS CERAMICS
АнотацЫ
Обектом даного до^дження стали продукти керамiчного виробництва - шамот як фракцюноват наповнювачi для виготовлення пористих фшьтруючих виробiв. Показано особливостi хiмiчного, фазового складу, властивостi поверхт та лiофiльностi до^джених матерiалiв як факторiв ефективностi фшьтраци.
Abstract
The products of ceramic production - fireclay as fractionating fillers became the object of this research for making ofporous filter wares. The feature chemical, phase composition, properties of surface and liophilicity of the studied materials as factors of efficiency of filtration are shown.
Ключовi слова: керамiка пориста, генезис, хiмiчний склад, фазовий склад, лiофiльнiсть, коефiцiент фшьтрацИ'
Keywords: porous ceramics, genesis, chemical composition, phase composition, liophilicity, coefficient of filtration.
Вступ - постановка проблеми.
Ф№трувальш матерiали та системи застосо-вуються в рiзних областях науки, техшки, промис-ловосп, у сшьському господарств^ медицины. Вони стали вагомим фактором виршення питань технологи, ресурсозбереження, охорони довшлля та забезпечення життево! дiяльностi [1,2]. При цьому розширення сфер застосування пов'язане з необ-хвдшстю тдвищення показнишв властивостей та експлуатацшно! надшносп шляхом ошишзаци технологи виробництва. Базовим елементом технологи е вихвдш сировинш матерiали, вибiр яких потребуе поглиблення уявлень про фiзико-хiмiчний склад та властивосп.
Практичне розповсюдження в системах фшь-трування отримали керашчш порист вироби [3,4].
В зв'язку з цим виконано ряд розробок по розши-ренню асортименту виробiв вiдповiдно до напрям-kîb умов ïx експлуатацй' [3-9].
Керамiку i3 пористiстю 37-42 % для фшьтраци та аерацiï отримують по технологи, що базуеться на регулюваннi параметрiв пористостi шляхом використання шамоту певного гранулометричного складу та спецiальниx зв'язуючих. Вироби фор-мують методами натвсухого пресування або трамбування, сушать та випалюють при макси-мальнiй температурi 1150-12000С.
Набув розповсюдження спосiб виготовлення пористих керашчних виробiв iз сумiшi шамоту або кварцового пiску iз зв'язуючими на основi розчин-ного скла шляхом формування, сушки та випалу (табл. 1).
<<ШУШетиМ~^®и©Мак>>#2Щ49)),2©1]9 / TECHNICAL SCIENCE
Таблиця 1
Склади мас для пористо'1 керамши_
Склад компоненпв, мас.%
Шамот Ршке скло Антитрен марки Б (понад 100 %)
84,0-85,5 14,5-16,0 1,5-2,0
Суть способу полягае в використанш напов-нювача i3 заданою гранулометрiею зерен, як1 пiсля об'емного розподiлу при формуваннi утворюють пори необхвдного розмiру. При цьому саме характеристики пористосп вiдносять до основних фак-торiв, що визначають фiльтрацiйнi властивостi матерiалу [10-12].
Разом з тим, з сучасних позицш х1мп поверхнi та фiзично! х1мп силiкатiв [13,14] очевидно, що ефективнють фшьтраци мае залежати не лише вщ оптимiзацi! пористостi виробiв, але й вщ властиво-стей поверхш, в тому числi лiофiльностi, матерiа-л1в, як1 застосовують як наповнювач. В цьому на-прямку виконано подану роботу.
Характеристика об'ек™ досл1дження.
Як об'екти дослiджень були обраш рiзновиди шамоту, виготовленi з глинисто! сировини з рiз-ним ступенем випалу на пiдприемстваx ТОВ «Лу-бенський цегельний завод» Потавсько! областi та ПАТ «Часовярський вогнетривкий комбшат» До-нецько! областi;
Обраний для дослiдження шамот вiдрiзняеть-ся вихщною сировиною та теxнологiчними параметрами виробництва:
- лубенський шамот (проба Ш-Л) е продуктом подрiбнення керамiчно! цегли, виготовлено! з легкоплавко! полiмiнерально! глини та випалено! у кiльцевiй печi перiодично! ди при максимальнiй температурi 950 0С;
- часовярський шамот е спещальним продуктом випалу на максимальну температуру 1150 0С (проба ЧПК1) i 1320 0С (проба Ч1) та подабнення рiзновидiв вогнетривко! i тугоплавко! глини мюце-вого родовища.
Дослiджуванi вихiднi матерiали суттево вщрь зняються за хiмiко-мiнералогiчним складом та фь зико-хiмiчними властивостями.
За хiмiчним складом при одна 9,5 проти 1,0-вiдсотковому вмiстi дiоксину кремшю 66,7- 66,9 мас.% проба лубенського шамоту Ш-Л значно вщ-рiзняеться вiд часовярського ШГЧПК-1 по наявно-стi оксиду алюмiнiю та бшьшим к1льк1сним ств-вщношенням SiO2: Al2O - 6,1 проти 2,6, бшьшим вмютом Fe2O3 та лужноземельних оксидiв СаО + MgO - 9,5 проти 1,0 мас. % (табл. 2).
Проба часовярського шамоту ШГЧ-1 в1даз-няеться вщ iнших найменшим вмiстом дiоксину кремнiю i найбшьшим оксиду алюмiнiю при кшь-шсному спiввiдношеннi SiO2: Al2O = 1,8.
Таблиця 2.
Хiмiчний склад шамоту
Код проби Вмют оксидiв, мас. %
SiO2 Äl2Os Fe2O3 TiO2 CaO MgO Na2O K2O в.п.п.
Ш-Л 66,93 10,90 3,04 0,62 7,96 1,54 0,97 1,96 4,50
ШГЧПК1 66.70 25.89 1.41 1.17 0.41 0.60 0.67 1.98 0.51
ШГЧ1 59.53 33.74 1.10 1.03 0.47 0.67 0.69 1.89 0.29
Результата рентгенофазового аналiзу, проведеного з використанням дифрактометру ДРОН-3М, дозволили виявити особливостi мiнералогiчного складу дослщжуваних матерiалiв (рис. 1-3).
3 k ■ § ■ 1 ¡4. ц 1 5 1 U - Л 95
III
1
[ Iй
Г я Ii ^ Ii3 « f
2 5 к 2
17 3 А v'у.
ff y AV • л
Д с с С А
Рисунок 1. Дифрактограма проби Ш-Ллубненського шамоту. Позначення: V кварц, А польовий шпат, о гiдрослюда, • гематит, с кальцит
Очевидно, що структурнi особливостi досль джуваних проб визначаються вiдмiнностями крис-талiчних фаз, !х к1льк1сного спiввiдношення та ступенем розвитку склофази.
Так, проба лубенського шамоту Ш-Л, вигото-вленого iз полiмiнеральноl легкоплавко! глини при
випалi на 9500С, характеризуеться розвиненими кристалiчними фазами кварцу та рiзновидiв польового шпату, наявшстю гематиту. залишк1в пдрослюди та кальциту.
Рисунок 2. Дифрактограма проби шамоту ШГЧПК-1. Позначення: V кварц, Л кристобалт, + мулт
Рисунок 3. Дифрактограма проби шамоту ШГЧ-1. Позначення: V кварц, Л кристобалт, + мулiт
Проби чаавярського шамоту значно вiдрiз-няються вщ лубенського наявшстю о^м кварцу кристалiчних фаз муллу та кристобалпу. При цьому проба шамоту ШГЧ1, виготовленого iз вог-нетривко! основно! глини при випалi на 1320 0С, характеризуеться бiльшим розвитком фаз муллу i кристобалiту при меншiй кшькосл кварцу, нiж проба шамоту ШГЧПК1, виготовленого iз вогнет-ривко! нашвкисло! глини при випалi на 1150 °С
За ступенем розвитку склофази (по площi дифузного гало) проби Ш-Л i ШГЧПК1 е близьки-ми, але поступаються пробi ШГЧ1.
Енергетичний стан поверхнi та люфшь-нiсть шамоту
Поверхневi процеси, що пролкають на грани-цi роздшу фаз, е важливим фактором практично вах природних i технологiчних процеав. З огляду на агрегатний стан речовин (газоподiбний, редкий, твердий) при фшьтраци в системах газо- i водоо-
чищення можно видiлити два типа поверхонь роздшу фаз: газ - тверде тшо (Г-Тв) та рiдина -тверде тшо (Р-Тв),
В цьому зв'язку, iз рахуванням особливостей використання матерiалiв для виготовлення фшьт-руючих виробiв у дослщженнях були використанi методи оцiнки енергетичного стану поверхнi час-тинок по змочуванню при натiканнi [15].
Характерною особливютю вказаного методу являеться можливють оцiнити одночасно ступiнь змочування частинок полярними i неполярними розчинниками (вшповщно вода i ксилол) та сту-пiнь дисперсностi дослiджуваного матерiалу (кое-фiцiент фiльтрацil i питома ефективна поверхня).
За отриманими експериментальними даним (табл. 3) стосовно змочування водою проб шамоту лубенського Ш-Л та чаавярського ШГЧПК-1 характеризуются однаковим значенням Вн = 0,63-
<<ШУШетиМ~^®У©Мак>>#2Щ49)),2©]]9 / TECHNICAL SCIENCE
0,65, суттево меншими у порiвняннi з Вн=0,82 для проби ШГЧ-1.
Неполярними родинами (ксилол) дослiджуванi проби шамоту змочуються суттево гiрше, нiж водою. При цьому проба ШГЧПК-1 вщзначаеться меншим значениям Вн:=0,38, шж проби Ш-Л i ШГЧ-1, де Вн1=0,43-0,47.
За значеннями коефiцiенту лiофiльностi проба лубенського шамоту суттево перевищуе проби часiвярського - 0,72 проти 0,52-0,60. При цьому
ввдзначаеться обернено пропорцшна залежиiсть ввд ступеню випалу при виготовленш шамоту.
Оцiнити вплив структурних особливостей ма-терiалiв можливо з урахуванням такого показника як коефщент фiльтрацiï. Встановлено, що показ-ники останнього по водi е найб№шими для проби ШГЧ-1 i становлять 2,30 •Ю-6 проти 1,33 -1,52 • 106 см3 •с/г для проб ШГЧПК-1 i Ш-Л, а по ксилолу е б№шими для проби Ш-Л i становлять 1,05 •Ю-6 проти 0,68 -0,72 • 10-6 см3•с/г для проб ШГЧПК-1 i ШГЧ-1.
Таблиця 3.
Властивост поверхш шамоту
Код проби Змочування при натжанш Коефщент фттрацп, К10-6 см3 •с/г Питома ефективна поверхня, м2/г Умовний tgS
вода ксилол вода ксилол
Ш-Л 0,65 1,52 0,47 1,05 9,0 5,4 0.018
ШГЧПК-1 0,63 1,33 0,38 0,68 9,7 4,2 0,022
ШГЧ-1 0,82 2.30 0,43 0,72 11,1 6,6 0,030
Ефективна питома поверхня дослвджуваних матер1ал1в е показником, який однозначно дозво-ляе оцшити внесок як фактора змочування матерь ал1в, так i !х структури.
За результатами експериментiв ефективна пи-тома поверхня по водi та по ксилолу е найб№шою для проби ШГЧ-1 i становить вщповщно 11,1 та 6,6 м2/г проти 9,0-9,7 та 4,2-5,4 м2/г для проб ШГЧПК-1 i Ш-Л
Висновки
1. Врахування особливостей складу та власти-востей поверхнi вихвдних компонентiв важливо для ошгашзаци та тдвищення ефективностi ди фiльтруючих матерiалiв, в тому числi пористо! керашки.
2. Формування властивостей керамiчного шамоту ввдповщае принципу сучасного матерiалоз-навства про послiдовнiсть склад ^ структура ^ властивостi. Про це сввдчать наведенi данi про хь мiчний та фазовий склад, люф№шсть, коефiцiент фiльтрацii шамоту, виготовленого з глинисто! си-ровини вiдмiнного мшералопчного типу при ви-палi в iнтервалi максимальних температур 9501320 0С..
3. Отриманi результати дослвджень вказують на доцiльнiсть використання рiзновидiв шамоту для регулювання ступеню люфшьносп та коефщь ента фiльтрацii пористих матерiалiв як фактору шдвищення ефективносп дii систем очищення рвдини.
Список лггератури
1. Кузнецов Л.К. Технология фильтрования в физико-химических процессах водоподготовки / Л.К. Кузнецов, А.И. Габитов // Башкирский химический журнал, 2009. - т. 16. - № 2. - с. 84-92.
2. Зуборев А.И. Перспективы применения новых фильтрующих материалов в технологиях предупреждения и ликвидации ЧС / А.И. Зуборев, Р.С. Старосто // «Пожежна безпека: теорiя i практика», 2013. - №15 - с. 80-86.
3. Смирнова К.А. Пористая керамика для фильтрации и аэрации. - М.: Стройиздат, 1968. -172 с.
4. Hammel E.C. Processing and properties of advanced porous ceramics: An application based review / E.C.Hammel, O.L.-R.Ighodaro, O.I.Okoli // Ceramics International, 2014. - Vol. 40. - Is. 10. - Part A. -pp. 15351-15370/
5. Родина Т.И. Фильтрующая керамика для очистки промышленных серных кисдот / Т.И. Родина, П.Г. Трунов // Труды института НИИстрой-керамика. - 1968. - вып. 29. - С. 99 - 108.
6. Фарсиянц С.Ю. Новые виды фильтрующих изделий / С.Ю. Фарсиянц, Л.С. Опалейчук, В.И. Романова // Стекло и керамика. - 1989. - № 8. - С. 17-18.
7. Khemakhem Sabeur. New ceramic membranes for tangential waste-water filtration /Sabeur Khemakhem, R. Ben Amar, R. BenHassen, A.Larbot, M.Medhioub, A. BenSalah, L.Cot // Desalination, 2004/ - Vol. 167. - pp. 19-22.
8. Zhigang Zhou, Jinxie Chen. A new material design method on porous ceramics in chemical sensors / Sensors and Actuators B: Chemical, 1993. - Vol. 13. - Is. 1-3. - pp. 132-134.
9. Белоусов О.Ю. Пористая керамика для систем водоочистки / О.Ю. Белоусов // Строительные материалы и изделия. - 2007. - № 1(42). - С.27 -28.
10. Смирнова К.А. Факторы, определяющие основные свойства пористых материалов для фильтрации и аэрации.// Труды института НИИстройкерамика. - 1968. - вып. 29. - С. 108 -120.
11. Черепанов Б.С. Взаимосвязь структуры и свойств пористой керамики / Б.С. Черепанов, Д.И. Давидович, С.Ю. Фарсиянц // ВНИИЭСМ. Сер. Керамическая промышленность. - 1986. - Вып. 1. - С. 2 - 4.
12. Yoshio Sakka, Fengqiu Tang, Hiroshi Fu-douzi, Tetsuo Uchikoshi. Fabrication of Porous Ceramics with Controlled Pore Size by Colloidal Processing / Yoshio Sakka, Fengqiu Tang, Hiroshi Fu-douzi, Tetsuo Uchikoshi // Science and Technology of Advanced Materials, 2005. - No 6 (8). - pp. 915-920.
13. Куковский Е.Г. Роль поверхности глинистых минералов во взаимодействии с дисперсионной средой // Физико-химическая механика и лио-фильность дисперсных систем. - К.: Наукова думка. -1968. - С. 14 - 19.
14. Свщерський В.А. Фiзико-xiмiчнi власти-восп поверхш каотшв i каолттвмюних глин та !х водних дисперсш / В.А. Свщерський, В.Г. Сальник, Л.П. Черняк. - К.: Знання, 2012. - 166 с. -(Сучасна наука).
15. Пащенко А.А., Крупа А.А., Свидерский В.А. К вопросу определения гидрофобности пористых дисперсных материалов// Докл. АН УССР. -Сер. Б. - 1974. - №10. - С. 913-916.
