CC BY
95
УДК 691.421-431.002.3
Д. Ю. Денисов, И. В. Ковков, В. З. Абдрахимов
Использование отходов флотации углеобогащения в производстве керамзита
Самарский государственный архитектурно-строительный университет 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 194
Исследования показали, что на основе отходов флотации углеобогащения можно получить эффективный пористый заполнитель, где в качестве пластифицирующей добавки используется модифицированное жидкое стекло.
Ключевые слова: отходы флотации углеобогащения, керамзит, пористый заполнитель, поэлементный химический анализ, жидкое стекло, микроструктура, диаграммы состояния, гидрат-ная вода, хлорид натрия.
В настоящей работе исследовались отходы флотации углеобогащения ГОФ «Томусин-ская» (ГОФ — горно-обогатительная фабрика). Отходы флотации углеобогащения представляют собой глинисто-угольные суспензии. Петрографический анализ показал, что состав твердой фазы отходов флотации колеблется в зависимости от месторождения в следующих пределах, % мас.: органическая часть угля 6—24; пирит 4.4—9.4; карбонат 4.0—8.2; глинистое вещество 58—80 и кварц 4—7. Усредненный химический состав представлен в табл. 1.
Плотность отходов флотации 1800—2000 кг/м3, зольность 50—80 %. Преобладающими минералами глинистого вещества отходов флотации углеобогащения являются гидрослюда и каолинит в различных количественных соотношениях. Исследуемые отходы флотации относятся к группе высокоглинистых, для которых характерна высокая степень дисперсности, повышенная жесткость, набухание и размокае-мость.
Таблица 1
Химический состав отходов флотации углеобогащения
Содержание оксидов, % мае.
SiO2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO R2O SO3 П.П.П. Углерод
53.84 15.52 5.3 1.50 0.51 4.47 0.91 16.7 11.4
Примечание: п.п.п. — потери при прокаливании
Таблица 2
Поэлементный химический анализ отходов флотации углеобогащения
Компонент Концентрация элементов, % мас.
O Al Si К S Cl Ca Ti Fe
Отходы флотации углеобогащения 65.03 11.64 19.03 2.39 0.28 0.08 0.38 0.29 0.88
На рис. 1 и в табл. 2 приведен поэлементный усредненный химический анализ отходов флотации углеобогащения, проведенный с помощью электронного растрового сканирующего микроскопа Phillips 525M.
O Si
Al
Л
S Cl
Á
Ca
Fe
T
2 00 4.00 Б.00
Рис. 1. Поэлементный химический анализ отходов флотаиии углеобогащения
С точки зрения безопасности угольной продукции для человека и окружающей среды, в новые стандарты по видам потребления включены зольность, общая сера, а также содержание мышьяка и хлора.
Максимальные значения мышьяка в отходах флотации углеобощения ГОФ «Томусин-ская» почти на порядок меньше предельно допустимой концентрации, а в целом содержание этого элемента в углях Кузбасса невысокое, и оно в десятки раз ниже уровня порога токсичности.
Дата поступления 04.03.08
Башкирский химический журнал. 2008. Том 15. Жо 2
Микроструктура отходов флотации углеобогащения представлена на рис. 2.
а, w
Рис. 2. Микроструктура отходов флотации углеобогащения. Увеличение: А — 400; Б —1500; В — 4000
Изучая диаграммы состояния Ма20—8Ю2 и Ма20—8Ю2—И20, авторы работы 1 установили, что содержание гидратной воды отражается на температуре плавления щелочного силиката. Так, при содержании в силикате 20% гидратной воды он плавится при 100 оС. При быстром нагревании такого гидратированного силиката до 200 оС он разжижается, и гидрат-ная вода быстро превращается в пар. Вследствие большой вязкости расплавленного силиката водные пары задерживаются в нем, образуя пузыри с тонкими стенками.
Результаты исследования по получению пористого заполнителя на основе жидкосте-кольных систем показали, что вспучивание начинаются уже при 50 оС 1.
Аналогичные работы, проведенные авторами работы 2, показали, что плавление тройной системы Ма20—8Ю2—И20 начинается при температуре выше 48 оС. Полученные результаты авторы 2 объясняют тем, что катион и анион (Ыа^Юз • И20) связывают только электростатическое взаимодействие и слабые водородные связи между молекулами воды, поэтому уже при 48 оС кристаллическая структура разрушается и кристаллогидрат плавится в собственной воде.
В данной работе для получения керамзита на основе отходов флотации углеобогащения в качестве связующего использовалось товарное жидкое стекло, модифицированное хлоридом натрия. Физико-химические показатели жидкого стекла представлены в табл. з.
Таблица 3 Физико-химические показатели жидкого стекла
№ п/п Показатели Ед. изме- Резуль-
рения тат
1 Содержание кремнезема % 38.9
2 Содержание оксида натрия % 10.63
3 Кремнеземистый модуль — 3.0
4 Силикатный модуль — 2.9
5 Плотность г/ см3 1.45
Введение в жидкое стекло хлорида натрия в количестве 20—25 % после тщательного перемешивания приводит к растворению хлористого натрия. Ионы натрия понижают силикатный модуль смеси, а ионы хлора, действуя в качестве сильного окислителя, способствуют ее коагуляции 3. Понижение силикатного модуля, приводящее к снижению числа силокса-новых связей (что существенно облегчает переход ионов щелочного металла в раствор и движение молекул воды в фазу стекла), и коагуляция смеси приводит к повышению вязкости, что дает возможность формовать гранулы любого размера 3.
Количество вводимого хлорида натрия влияет на свойства композиции. При добавлении в количестве менее, чем 10%, вязкость композиции изменяется незначительно, что затрудняет возможность формирования гранул. При добавлении более 40% хлорида натрия из-за повышенной вязкости композиции она становится мало формуемой. Исследования показали, что оптимальное количество вводимого хлорида натрия должно составлять 20-25 %.
Производство керамзита осуществлялось по следующей технологии: керамзит оптимального состава, % мас.: отходы флотации углеобогащения — 60, модифицированное жидкое стекло - 40 гранулировался и подвергался термообработке при 700 оС (в интервале температур 550—700 оС распадается каолинит, содержащийся в отходах флотации). С целью улучшения формы был использован тарельчатый гранулятор, встроенный в лабораторную печь. После обработки на такой установке форма гранул была близка к шарообразной (рис. з). Полученные гранулы имели плотную сплошную корочку и внутреннюю высокопористую структуру. Строение гранулы аналогично керамзитовой, но толщина корочки значительно меньше и аналогична описанной в работе 4.
А Б
Рис. 3. Керамзит состава, % мас.: отходы флотации углеобогащения 60, жидкое стекло 40. Температура обжига 700 оС
Результаты физико-механических показателей полученного керамзита приведены в табл. 4.
Таблица 4
Физико-механические показатели керамзита
Диаметр гранул, мм 6-8
Прочность при сжатии, МПа 1.7-1.9
Средняя плотность в куске, г/см3 0.5-0.7
Насыпная плотность, кг/м3 280-320
Температура обжига, оС 700
Истинная пористость (общая) исследуемого керамзита находится в пределах
50—75 %, пористость кажущаяся (открытая) — 30—65 %, пористость закрытая — 10—20 %.
Результаты данной работы позволят создать экономичный и эффективный легкий заполнитель на основе отходов углеобогащения, массовое внедрение которого приводит к получению значительного народнохозяйственного эффекта и частичному решению экологической проблемы.
Таким образом, на основе отходов флотации углеобогащения можно получить эффективный пористый заполнитель, где в качестве пластифицирующей добавки используется модифицированное жидкое стекло.
Литература
1. Григорьев П. Н., Матвеев М. А. Растворимое стекло.— М: Стройиздат.— 1956.— 443 с.
2. Конев В. И., Данилов В. В. Производство и применение растворимого стекла.— Л: Стройиздат. Ленинградское отделение.— 1991.— 177 с.
3. Жигулина А. Ю., Мизюряев С. А. Композиция для производства пористого заполнителя. // Описание изобретения к патенту РФ Ии 2211196 С2 04 В 14/24, 38/00. 27.08.2003. Бюл. № 24. 3 с.
4. Комиссаренко Б. С., Мизюряев С. А., Жигулина А. Ю. Модифицированные жидкостеколь-ные системы основа для жаростойкого заполнителя. // Строительные материалы.— 2001.— №10.- С. 2729.
