CC BY
22АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО: СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 691.42 : 658.567.1 ЭО! 10.24411/2686-7818-2020-10054
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ФЛОТАЦИИ УГЛЕОБОГАЩЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ КЕРАМЗИТА СПОСОБСТВУЕТ ЭКОЛОГИИ И РАСШИРЯЕТ ГРАНИЦЫ ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВА И КАДАСТРОВ
© 2020 В.З. Абдрахимов, Н.В. Лазарева*
Добыча и переработка природного минерального сырья связана с образованием больших количеств различных промышленных отходов, накопление которых приводит к ухудшению экологической обстановки в регионах, выводят земли из хозяйственного оборота, загрязняют окружающую среду. Главной задачей кадастров и землеустройства является организация по рациональному использованию всех категорий земель, в том числе и земель сельскохозяйственного назначения. Исследования показали, что совместное использование монтмориллонитовой глины и отходов флотации углеобогащения способствует получению эффективного теплоизоляционного материала - керамзита с высокими физико-механическими показателями. Отходы углеобогащения способствуют образованию муллита при обжиге керамзита.
Ключевые слова: отходы углеобогащения, монтмориллонитовая глина, керамзит, экология, землеустройство, кадастры.
Введение
Землеустройство - это: а) планирование и организация рационального использования земель и их охраны: б) мероприятия по изучению состояния местоположения земель и (или) установлению на местности границ объектов землеустройства; в) организация рационального использования гражданами и юридическими лицами земельных участков для осуществления сельскохозяйственного производства.
Земельный кадастр - это свод систематизированных документальных данных о природном, хозяйственном и правовом положении земель. В Российской Федерации правила ведения земельного кадастра закреплены в Земельном кодексе.
Ведения кадастра и проведение работ, связанных с землеустройством невозможны на современном этапе с неразрешенными проблемами по охране природной окружающей среды и без обеспечения экологической безопасности.
Главной задачей кадастров и землеустройства является организация по рациональ-
ному использованию всех категорий земель, в том числе и земель сельскохозяйственного назначения. А в целом землеустройство - это многоплановый комплекс мероприятий и законов, которые осуществляются государством, земледельцами, землепользователями, а также собственниками земель по наведению порядка, эффективного и рационального использования и охране всех земель.
Добыча и переработка природного минерального сырья связана с образованием больших количеств различных промышленных отходов, накопление которых приводит к ухудшению экологической обстановки в регионах.
Находящихся в сфере хозяйственной деятельности многие территории земель находятся в неудовлетворительном состоянии. Нерациональное природопользование продолжается, потому что существенно сократились мероприятия по охране и рациональному использованию и земельных ресурсов, что усугубляет процессы деградации земель.
По данным некоторых ученых отходы угольной промышленности РФ, находящие-
* Абдрахимов Владимир Закирович (3375892@mail.ru) - доктор технических наук, профессор; Лазарева Наталья Владимировна - доктор медицинских наук, профессор; оба - ФГБОУ ВО «Самарский государственный экономический университет» (Самара, Россия).
б)
ся в шламоотстойниках и накопителях, превышают 260 млн. т. и представляют собой крупные техногенные скопления полезных ископаемых, ежегодный прирост которых составляет 3 млн. т.
Шламовые отходы - это, с одной стороны, ценное углеродосодержащее сырьё, которое можно использовать в производстве керамических строительных материалов, например - керамзите, а с другой стороны - источник загрязнения окружающей среды.
Ежегодно для складирования отходов флотации углеобогащения горно-обогатительных фабрик в России отторгаются огромные территории земель. В районах с интенсивной угледобычей складывается очень острая экологическая ситуация, обусловленная главным образом загрязнением атмосферного воздуха, почвы, водного бассейна и выводят земли из хозяйственного оборота, загрязняют окружающую среду.
ственного сырья для производства керамических материалов является одной из важнейших в Российской Федерации.
Известно, что в стоимости построенного жилого дома доля строительных материалов составляет 15-25% [1], тогда как при его производстве стоимость сырья иногда достигает 40-45%. В связи с этим проблема снижения цены сырьевых материалов в производстве керамзита в России приобретает особую актуальность. Одним из аспектов решения этой проблемы является использование отходов углеобогащения в производстве керамзита.
Экспериментальная часть
В настоящей работе исследовались отходы флотации углеобогащения ГОФ «Тому-синская». Отходы флотации углеобогащения представляют собой глинисто-угольные суспензии [2-3]. Химический состав отходов горно-обогатительной фабрики при обогащении угля представлен в таблице 1.
Таблица 1. Химический состав отходов углеобогащения и монтмориллонитовой глины
Компоненты Содержание оксидов, мас. %
БЮ2 А120З Рв20з СаО М§О К2О БОв п.п.п.
Отходы углеобогащения 50,40 18,56 6,4 1,51 0,50 4,78 0,90 16,5
Монтмориллонитовая глина 58,5 14,6 4,2 2,1 7,3 3,5 0,5 7,8
Примечание: п.п.п. - потери при прокаливании
В настоящее время в связи с интенсификацией строительства, значительно возросла потребность в легких пористых заполнителях, типа керамзита. Керамзит - пористый керамический заполнитель, занимающий первое место по объему производству в России среди легких заполнителей. Керамзит (керамзитовый гравий) имеет форму близкую к шарообразной.
Несмотря на определённые достигнутые успехи, в области производства керамических материалов, расширения ассортимента и улучшения качества, в России не удовлетворена потребность в теплоизоляционных материалах. Это связано с отсутствием кондиционного местного алюмосили катного сырья. Поэтому проблема изыскания каче-
Петрографический анализ показал, что состав твердой фазы отходов флотации колеблется в пределах, мас. %: органическая часть угля - 8-24; пирит - 4,5-9,5; карбонат -4,0-8,4; глинистое вещество - 58-80 и кварц -4-7.
Плотность отходов флотации 18002000 кг/м3, зольность 50-80 % Преобладающими минералами глинистого вещества отходов флотации углеобогащения являются гидрослюда и каолинит в различных количественных соотношениях (рис. 1) [4]. Исследуемые отходы флотации относятся к группе высокоглинистых, для которых характерна высокая степень дисперсности, повышенная жесткость, набухание и размо-каемость.
Cl
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2020. № 6 (9)
2 "i—Л
m £
Рисунок 1. Рентгенограмма отходов флотации углеобогащения
¿CL
À
Ca Ti
Fe
2.00
4.00
6.00
Рисунок 2. Поэлементный химический анализ отходов флотации углеобогащения
На рисунке 2 и в таблице 2 приведен поэлементный усредненный химический анализ отходов флотации углеобогащения, проведенный с помощью электронного рас-
трового сканирующего микроскопа Phillips 525M.
Микроструктура отходов флотации углеобогащения представлена на рисунке 3.
Для производства керамзита использовалась легкоплавкая глина Смышляевского месторождения, химический состав которой представлен в таблице 3. Как видно из таблицы 3, глина Смышляевского месторождения по содержанию оксида алюминия относится к полукислым глинам (Al2O3<15 %), а со -держанию оксида железа - к группе с высоким содержанием красящих оксидов (Fe2O3>3%). Технологические свойства монт-мориллонитовой глины Смышляевского месторождения представлены в таблице 3.
Производство керамзита осуществлялось по традиционной технологии: керамзит из оптимального состава, мас. %: отходы флотации углеобогащения - 20-30, монтмо-
Таблица 2. Поэлементный химический анализ отходов флотации углеобогащения
Концентрация элементов, мас. %
O Al Si К S Cl Ca Ti Fe
65,03 11,64 19,03 2,39 0,28 0,08 0,38 0,29 0,88
|1
А
Б
Рисунок 3. Микроструктура отходов флотации углеобогащения. Увеличение: А - х400; Б х1500; В х4000
Таблица 3. Технологические свойства глины Смышляевского месторождения
В
Число пластичности Содержание г линистых частиц (размером менее 0,005 мм), Огнеупорность, оС По спекаемости Оптимальная температура вспучивания, оС Температурный интервал вспучивания, оС
25-55 55-65 1150-1200 Не спекается (вспучивается) 1160 200
риллонитовая глина Смышляевского месторождения - 70-80 гранулировался и подвергался термообработке при температуре 1160 оС (оптимальная температура вспучивания) [4]. Полученные гранулы имели плотную сплошную корочку и внутреннюю высокопористую структуру (рис. 4).
Рисунок 4. Пористый заполнитель (керамзит):
а - поверхность; б - середина
Строение гранулы аналогично керамзитовой, но толщина корочки значительно меньше. Результаты физико-механических показателей керамзита приведены в таблице 4.
Истинная пористость (общая) исследуемого керамзита находится в пределах 55-65 %,
пористость кажущаяся (открытая) - 35-55 %, пористость закрытая - 12-15 %.
Применение ИК - спектроскопии в научно-исследовательских, аналитических и промышленных лабораториях получило в последнее время быстрое и широкое развитие. Помимо того, что ИК-спектры давно уже плодотворно используются для изучения структуры молекул, качественного и количественного анализа в химии, метод открывает все новые неоценимые возможности и резервы для решения практических задач в различных узкоспеци альных областях производства и техники [5].
ИК-спектры поглощения образцов были получены на спектрофотометре «БрекогС-75Ш». Образцы были приготовлены в виде суспензии порошка с вазелиновым маслом.
В исследуемом образце на ИК-спектре (рис. 5) появляются характерные для б - кри-стобалита полосы поглощения 670-696 см-1.
Практическая расшифровка полученных ИК-спектров ведется сравнением со спектрами известных веществ по наличию характеристических полос. Частота максимумов
Таблица 4. Физико-механические показатели керамзита
Диаметр гранул, мм Прочность при сжатии, МПа Средняя плотность в куске, г/см3 Насыпная плотность, кг/м3 Температура обжига, оС
6-8 2,0-2,2 0,5-0,8 450-510 1060
ш
характеристических полос составляет у трехмерных - слоистых, кольцевых и одномерных в виде цепей 1000-1100 см-1 и у изолированных групп [БЮ4] 900-1000 см-1 [5-6]. Последнее характерно для кварца Б1-О-Ме (где Ме - металл).
вызвать растрескивание изделий при обжиге, охлаждении и во время эксплуатации, а также непостоянство их объема при повторном нагреве.
Характерно незначительное поглощение электромагнитных волн муллита в интерва-
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2А2А. № 6 (9)
1.100 1200 1100 1000
900 Л 00 700
500 400
Рисунок 5. ИК-спектры образцов из исследуемого состава. Температура обжига 1160 оС
Количество линий или полос в спектре, их частоты, их интенсивность дают возможность судить о наличии тех или иных элементов симметрии у исследованного вещества.
Так, в трехмерных структурах частота максимумов поглощения составляет у крис-тобалита 1010-1260, у кварца 980-1200 и у кварцевого стекла 1027-1195 см-1 (рис. 5), Для этих решеток характерная связь Б1-О- Б1, но под разными углами.
Содержание кристобалита снижает механическую прочность керамических изделий и обусловливает проницаемость изделий, так как при превращении б-кварца в б-кристобалит снижается плотность и объем увеличивается на 15,4 % [5-6]. Если решетка керамического материала испытывает полиморфные превращения, то оно испытывает и разрыхление.
Происходящие при полиморфных превращениях расширение или сжатие могут
ле при н=580 см-1 и резком пике поглощения у силлиманита при н=691 см-1. Начало кристаллизации муллита в исследуемом образце при температуре обжига 1050 оС подтверждается увеличением полосы поглощения н=580 см-1 на ИК - спектре (рис. 5).
Ряд ученых в работах [6-10] предполагают, что основные физико-механические свойства керамическим материалам сообщает муллит.
Муллит - один из часто встречающихся минералов в обожженных керамических материалах. Высокие показатели по огнеупорности, плотности, химической стойкости и механической прочности привлекли внимание исследователей, как к получению синтетического муллита, так и к исследованию его структуры [6-10]. Состав муллита долгое время являлся предметом дискуссий, в результате которых исследователи пришли к мнению, что состав муллита колеблется от
|1
2Д!203%5Ю2 до 3Д!2030/о2БЮ2. По данным В.М. Белова [9] муллит является цепочным силикатом, и ионы алюминия распадаются в нем на две группы, причем одна из них входит в решетку с координационным числом 6, а другая - с 4. В работе [6] муллит рассматривается как неупорядочный алюмосиликат, занимающий промежуточное положение между упорядоченным силлиманитом и андалузитом.
Решетка муллита (3Д!203%2БЮ2) весьма близка к решетке силлиманита и обладает дефектной структурой последнего [6-10]. Она возникает путем заполнения мест в решетке силлиманита ионами О-2 и Д!+3. Поэтому рентгенограммы муллита и силлиманита весьма близки, тогда как их инфракрасные спектры поглощения, наоборот, весьма различны, что делает спектральный анализ удобным для определения этих минералов [6-10].
Полосы связей Б1|у-0-Д!у! в структурах с изолированными группами [БЮ4] лежат в интервале 880-985 см-1. В цепочных структурах муллита они сдвигаются к значениям 1130-1155 см-1 (рис. 5).
Электронно-микроскопическое исследование керамзита сопряжено со значительными трудностями получения реплик от образцов, обожженных в области температуры ликвации, когда жидкая фаза содержит много не полностью растворенных глинистых частиц.
Обжиг исследуемого керамзита при 1160 оС способствует появлению желтоватых и бурых стекол с показателями преломления
до 1,58-1,61, образовавшиеся в результате плавления шпатов и смешаннослойных глинистых образований (рис. 6А). Появление желтоватых и бурых стекол объясняется высоким содержанием Ре203 в глине Смышля-евского месторождения и щелочей (К20) в жидком стекле (табл. 3).
Электронно-микроскопическое изучение образцов, обожженных при температуре 1160 оС, по методу реплик с предварительным протравливанием поверхности свежего скола 3 % ИР показало, что стекло претерпело интенсивную ликвацию и разделилось на капельную фазу и матрицу (рис. 6Б) [11-13].
Капли имеют сложную, но преимущественно округлую форму и размеры от долей до 3 мкм, которые сильно зависят от тем -пературы термообработки.
По мнению авторов работы [14] случаи, когда капли имеют форму шара и располагаются на значительных расстояниях друг от друга, как показано на рисунке 6Б сравнительно редки. Чаще при электронно-микроскопическом изучении стеклофазы широкого «спектра» составов фиксировали ликваци-онную структуру с весьма малыми размерами капель (0,03-0,05 мкм) и их тесном расположением [14].
Ликвация начинается по краям зерен стеклофазы еще до начала спекания изделия и распространяется вглубь, захватывая зерна целиком или частично, что определяется их размерами, составом и условиями обжига. Вслед за ликвацией после практически полного расплавлении аморфной фазы
(^з=3-3,5 Па/с, з - вязкость) [14] начинается процесс образования кристаллов.
Основным условием, обеспечивающим вспучивание глинистых пород при их нагревании, является совмещение во времени пиропластического состояния глины с интенсивным газовыделением внутри обжигаемого материала [11-12]. Важно усвоить, что каждый из этих факторов в отдельности еще не обеспечивает возникновение процесса вспучивания. Необходимо, чтобы они действовали одновременно. По-видимому, в нашем случае это правило частично соблюдается.
Таким образом, исследования показали, что отходы углеобогащения способствуют образованию эффективного теплоизоляционного материала - керамзита с высокими физико-механическими показателями. В результате проведенных исследований с помощью ИК - спектроскопического метода установлено, что минералы, у которых рентгенограммы весьма близки, тогда как их инфракрасные спектры поглощения, наоборот, весьма различны, что делает спектральный анализ удобным для определения этих минералов. Введение в состав керамических масс отходов углеобогащения способствует при температуре обжига 1160 оС образованию муллита, который способствует повышению физико-механических показателей керамзита.
Библиографический список
1. Шевандо В.В., Абдрахимов А.В., Вдовина Е.В., Абдрахимов В.З., Абдрахимова Е.С. Использование золошлакового материала на основе бейделлитовой глины в производстве керамического кирпича // Промышленное и гражданское строительство. - 2008. - №10. - С. 46-47.
2. Патент 2362749 Российская Федерация, МПК С04В 14/24. Композиция для производства пористого заполнителя. / Д.Ю. Денисов, И.В. Ковков, В.З. Абдрахимов, Л.В. Журавль; заявитель и патентообладатель Самарский государ-
ственный университет; заявл. 03.12.2007. опубл. 27.07.2009. Бюл. - 2009. - №21.
3. Денисов Д.Ю., Ковков И.В., Абдрахимов
B.З. Использование отходов флотации углеобогащения в производстве керамзита // Башкирский химический журнал. - 2008. - Том 15. - №2. -
C. 107-109.
4. Абдрахимов В.З., Денисов Д.Ю. Теоретические и технологические аспекты использования техногенного сырья в производстве теплоизоляционных материалов. - Самара: Самарская муниципальная академия управления, 2010. - 72 с.
5. Ковков И.В., Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Исследование ИК - спектроскопическим методом фазового состава керамических материалов // Химия и химические технологии. -2007. - Том 50. - Вып. 5. - С. 114-116.
6. Куколев, Г.В. Химия кремния и физическая химия силикатов. - М.: Высшая школа, 1966. - 464 с.
7. Химическая технология керамики и огне -упоров / П.П. Будников [и др.] - М: Стройиздат, 1972. -553 с.
8. Августиник А.И. Керамика. - Л.: Лениздат, 1975. - 591 с.
9. Белов Н.В. Получение муллита и его свойства // Труды Львовского университета. - 1956. -Вып. 10. - С 10-12.
10. Абдрахимова Е.С. Формирование муллита при обжиге кислотоупоров // Материаловедение. - 2003. - №4. - С 26-31.
11. Абдрахимов В.З. Исследование фазового состава теплоизоляционного материала на основе твердых солевых шлаков и жидкого стекла // Известия вузов. Строительство. - 2008. -№11-12. - С. 33-38.
12. Абдрахимов В.З. Получение теплоизоляционного материала на основе твердых солевых шлаков и жидкого стекла // Строительный вестник Российской инженерной академии. - С. 30-35
13. Павлушкин, Н.М. Химическая технология стекла и ситаллов. - М.: Стройиздат, 1983. - 432 с.
14. Грум-Гржимайло О.С., Квятовская К.К. Механизм формирования глушителя в легкоплавких борно-циркониевых глазурях // Труды НИИстройкерамики. -1979. - С. 127- 145.
Поступила в редакцию 28.10.2020 г.
ЭКСПЕРТ:
ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
2А2А. № 6 (9)
THE USE OF WASTE FLOTATION COAL ENRICHMENT IN THE PRODUCTION OF EXPANDED CLAY CONTRIBUTES TO THE ENVIRONMENT AND EXPANDS THE BOUNDARIES OF LAND MANAGEMENT AND CADASTRE
© 2020 V.Z. Abdrakhimov, N.V. Lazareva*
Extraction and processing of natural mineral raw materials is associated with the formation of large amounts of various industrial waste, the accumulation of which leads to a deterioration of the environmental situation in the regions, removes land from economic circulation, and pollutes the environment. The main task of cadastres and land management is to organize the rational use of all categories of land, including agricultural land. Studies have shown that the combined use of montmorillonite clay and waste flotation of coal enrichment contributes to the production of an effective thermal insulation material -expanded clay with high physical and mechanical properties. Waste of coal enrichment contributes to the formation of mullite during the firing of expanded clay.
Keywords: waste of coal enrichment, montmorillonite clay, expanded clay, ecology, land management, cadastres.
* Vladimir Z. Abdrakhimov (3375892@mail.ru) - Doctor of Technical Sciences, Professor; Natalia V. Lazareva - Doctor of Medical Sciences, Professor; both - Samara State University of Economics (Russia, Samara).
Received for publication on 28.10.2020
