CC BY
19
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.023 УДК 691
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА Н. К. Манакова1, А. А. Сенета2
1 Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ «Кольский научный центр РАН», Апатиты, Россия
2Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета, Апатиты, Россия
Аннотация
Рассматривается возможность использования техногенных отходов и минерального сырья Мурманской области для создания пористых теплоизоляционных материалов, способствующих повышению энергосбережения в условиях Крайнего Севера. Установлены оптимальные условия и определены составы для получения пеносиликатов на основе кремнеземсодержащих отходов. Ключевые слова:
минеральное сырье, техногенные отходы, жидкое стекло, пеностекло, теплоизоляционные материалы.
THE USE OF TECHNOGENIC RAW MATERIALS IN THE PRODUCTION OF POROUS MATERIAL N. K. Manakova1, A. A. Seneta2
1Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC "Kola Science Centre RAS", Apatity, Russia
2Apatity Branch of Murmansk State Technical University, Apatity, Russia Abstract
The article discusses the possibility of using industrial waste and mineral raw materials in the Murmansk region to create new heat-insulating materials that contribute to energy saving in the Far North. Optimal conditions were established and compositions were determined for the production of foam silicates based on silica-containing waste. Keywords:
mineral raw materials, industrial waste, water glass, foam glass, heat-insulating materials.
К настоящему времени накоплены миллиарды тонн горнопромышленных отходов, как правило, являющихся ценным сырьем для ряда отраслей промышленности. Отвалы и хвостохранилища занимают все большие территории, в результате чего происходит разрушение природных ландшафтов. Накопление техногенных отходов, с одной стороны, приводит к загрязнению окружающей среды, с другой стороны, является следствием нерационального использования природных ресурсов, возобновление которых затруднено. Существует множество способов утилизации промышленных отходов, однако наиболее перспективным и быстро развивающимся направлением переработки техногенных отходов является их вовлечение в производство строительных материалов. Использование отходов горнопромышленного комплекса в строительной отрасли представляет не только научный, но и практический интерес с точки зрения ресурсосбережения и охраны окружающей среды. При этом уменьшается количество отходов, отправляемых в отвалы, и открывается перспектива создания новых сырьевых источников, что, в свою очередь, ведет к экономии ресурсов [1].
Одним из современных направлений исследований в области строительной индустрии является разработка пеностекла и пеносиликатных материалов — аналогов пеностекла. Применение вспененных стекловидных материалов в строительстве позволяет уменьшить толщину ограждающих конструкций, снизить расход основных строительных материалов и вес строительных конструкций, уменьшить затраты на отопление зданий.
Важным преимуществом силикатных пеноматериалов в сравнении с некоторыми природными и полимерными теплоизоляционными материалами является их неорганический состав. Они пожаробезопасны и устойчивы к воздействию гнили, микроорганизмов и насекомых. Пеностекло влагостойко и химически стойко, его время эксплуатации практически не ограничено. Для их получения используются различные виды кремнеземсодержащего сырья, в том числе природного и техногенного происхождения [2-9].
Известно, что микрокремнезем может использоваться для создания пеносиликатов за счет образования вяжущих композиций со щелочами. Источником порообразующих газов в области пиропластичного состояния в данном случае являются гидратированные полисиликаты натрия, которые образуются при добавлении раствора гидроксида натрия к высокоактивному аморфному кремнезему [10]. Образующаяся жидкостекольная смесь способна формировать высокопористую систему при достаточно низких температурах последующей термообработки [11].
Использование модифицирующих добавок оказывает упорядочивающее действие на макро-и микроструктуру теплоизоляционного материала и повышает физико-механические показатели пористых изделий [12, 13]. Проведенными ранее исследованиями показана перспективность применения карбонатитовых отходов при получении строительных теплоизоляционных материалов [14]. В связи с этим представляло интерес изучение возможности применения карбонатитового сырья в качестве минеральной и модифицирующей добавки для получения блочного пеносиликата.
Цель данной работы заключалась в физико-химическом и экспериментальном обосновании получения из техногенных отходов блочных пеносиликатов с равномерной пористой структурой и улучшенными техническими характеристиками.
Объекты и методы
Для проведения исследований использовались: 1) кремнеземсодержащий продукт, полученный при переработке эвдиалитовых руд Ловозерского месторождения и представляющий собой мелкодисперсный порошок светло-серого цвета с удельной поверхностью 307 м2/г, насыпной плотностью 428 кг/м3; 2) отходы обогащения апатитонефелиновых руд хибинских месторождений с удельной поверхностью 0,80 м2/г, насыпной плотностью 1500 кг/м3; 3) апатитокальцитовые карбонатиты Ковдорского ГОКа с удельной поверхностью 0,3 м2/г и хвосты обогащения апатитомагнетитовых руд (карбонатитовые отходы) рудника "Железный" (г. Ковдор) с удельной поверхностью 0,4 м2/г. Химический состав используемых сырьевых материалов представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав сырья
Компонент Соде ржание оксидов, мас. %
SÎÛ2 TiÜ2 AI2O3 Fe2Ü3 CaÜ MgO P2O5 Na2Ü K2O ZrO2 CO2 SO3
Мкр. 74,7 0,84 0,5 3,07 0,80 0,08 0,046 2,53 0,46 4,49 - -
АНХ 35,98 4,43 16,60 12,22 9,13 1,25 4,11 10,77 4,59 - - 0,15
КБ 0,09 0,04 0,83 0,75 50,87 0,83 1,04 0,13 0,05 - 43,21 0,23
КО 17,12 0,27 2,41 11,7 20,7 22,9 4,49 0,45 0,88 - 14,15 -
Примечание. Мкр. — кремнеземсодержащий продукт переработки эвдиалитовых руд, АНХ — апатитонефелиновые отходы, КБ — карбонатит, КО — карбонатитовые отходы.
Для получения пеносиликатов использовалась шихта состава, мас. %: кремнеземсодержащий продукт 68-80, гидроксид натрия (в пересчете на Na2Ö) 17-20, апатитонефелиновые отходы фракции -1 мм 15, с добавлением карбонатита или карбонатитовых отходов 5-15 % (сверх 100 %).
Блочные пеносиликатные материалы получали путем приготовления жидкостекольной композиции с добавлением минеральных добавок. Компоненты шихты тщательно перемешивали, добавляли гидроксид натрия (45 %-й водный раствор) и методом пластического формования готовили образцы, которые затем укладывали в керамические разъемные формы диаметром 30 мм, и после сушки на воздухе или в воздушно-тепловых условиях подвергали вспучиванию, используя следующие технологические режимы: 1) предварительная сушка в воздушно-тепловых условиях;
2) термообработка при температурах 650-700 °C и изотермическая выдержка в течение 25-30 мин;
3) снижение температуры на 100-150 °С в течение 5-7 мин с дальнейшим медленным охлаждением до температуры окружающей среды со скоростью 0,4-0,6 °С/мин.
Измерение удельной поверхности сырьевых материалов производили по методу БЭТ. ИК-спектры микрокремнезема и пеносиликатов на его основе снимались на Фурье ИК-спектрометре Nicolet 6700 FTIR. Фрактографические исследования пеноматериала проводились с привлечением оптической микроскопии и растровой электронной микроскопии с использованием SEM LEO 420. Технические свойства пеносиликатных материалов из кремнеземсодержащего сырья определялись с учетом требований ГОСТ 17177-94 «Материалы и изделия строительные теплоизоляционные.
Методы испытаний», ГОСТ 16381-77 «Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Классификация и общие технические требования». Для определения коэффициента теплопроводности использовался электронный измеритель теплопроводности ИТП-МГ 4.
Результаты и обсуждение
С использованием выше перечисленных технологических приемов были получены вспененные материалы. Фрактографические исследования пеносиликатных материалов показывают, что они характеризуются развитой пористой структурой с микронными порами в стенках макропор. Стенки пор пеносиликата толщиной 30-100 мкм пронизаны микроотверстиями, что свидетельствует об интенсивном процессе порообразования (рис. 1). Такая пористость наиболее оптимальна для пеностекольных материалов и обеспечивает технические свойства, сравнимые с характеристиками классического пеностекла.
В таблице 2 приведены основные свойства пеносиликатов с карбонатитовыми добавками.
-100 мкм
Рис. 1. Микрофотография пеносиликатного материала
Таблица 2
Технические свойства пеносиликатов
Содержание компонентов, % Температура вспенивания, °С Средняя плотность г/см3
№ №0И Прочность, Водопог-
Мкр. (в пересчете АНХ КБ КО МПа лощение,%
на №20
1 68 17 - 15 - 650 0,66 4,7 41
2 68 17 - - 15 650 0,61 5,5 40
3 68 17 15 - 5 650 0,37 3 24
4 68 17 15 - 7,5 650 0,39 3,2 24
5 68 17 15 - 10 650 0,42 3,3 23
Примечание. См. обозначения в табл. 1.
Замена апатитонефелиновых отходов карбонатитом позволяет получить материал прочностью до 5,5 МПа, однако не происходит снижения водопоглощения материала, поэтому исследование по корректировке состава в этом направлении нецелесообразно.
Введение КО в состав шихты более предпочтительно по сравнению с КБ в связи с высоким содержанием карбонатов в сырье, являющихся дополнительным газообразователем, способствующим увеличению вспучивания материала и, соответственно, снижению его плотности. Оптимальное содержание карбонатитовых отходов составляет 5-10 %.
Общепринято считать, что инфракрасные спектры поглощения силикатов характеризуются набором узких полос поглощения с определенными частотами колебаний. Огибающий характер кривых, представленных на рис. 2, характерен для стекловидных материалов [15]. Анализ ИКС-спектров вспененных материалов позволяет предположить наличие стеклофазы в образцах, что может свидетельствовать о процессе стеклообразования при относительно низкой температуре — 650 °С. Доказательство наличия стеклофазы в образцах требует дальнейших более детальных исследований.
70
0 -1-1-1-.
0 1000 2000 3000 4000
Волновое число, см-1
Рис. 2. ИКС пеносиликата с добавлением карбонатита (1) и карбонатитовых отходов (2)
Таким образом, проведенные исследования показали возможность получения эффективных вспененных материалов на основе техногенного сырья Кольского полуострова. Полученные пеноматериалы можно рекомендовать для использования в качестве теплоизоляционных (теплопроводность 0,09-0,104 Втм/К) и конструкционно-теплоизоляционных материалов при строительстве различных сооружений (для термоизоляции чердаков, перекрытий, полов и т. д.).
Благодарности
Авторы выражают огромную благодарность старшему научному сотруднику, кандидату технических наук О. В. Суворовой за помощь и научные консультации при проведении работы.
Литература
1. Шишакина О. А., Паламарчук А. А. Обзор направлений утилизации техногенных отходов в производстве строительных материалов // International Journal of Applied and Fundamental Research. 2019. № 4. С. 198-203.
2. Вспененные стекловидные материалы из горных пород и техногенного сырья / Р. Г. Мелконян и др. // Труды Кольского научного центра РАН. Химия и материаловедение. Вып. 2. 2018. Ч. 2. С. 873-877. DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.873-877
3. Манакова Н. К., Суворова О. В. Снижение нагрузки на окружающую среду за счет вовлечения техногенных отходов в получение теплоизоляционных материалов // Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН. 2019. 16. С. 360-363. Doi:10.31241/FNS.2019.16.072
4. Манакова Н. К. Использование горнопромышленных отходов Кольского полуострова для получения вспененных стекловидных материалов // Вестник гражданских инженеров. 2018. № 5 (70). С. 123-127. DOI: 10.23968/1999-5571-2018-15-5-123-127
5. Суворова О. В., Манакова Н. К. Пористые материалы на основе микрокремнезема и минеральных наполнителей // Экология и промышленность России. 2019. Т. 23, № 8. С. 32-35. DOI: 10.18412/1816-0395-2019-08-32-35
6. Кутугин В. А., Лотов В. А., Ревенко В. В. Пеностекло на основе природного и техногенного аморфного кремнезема // Техника и технология силикатов. 2016. № 3. С. 24-28.
7. Получение высокоэффективного материала на основе диатомита путем низкотемпературного вспенивания / Н. А. Сеник и др. // Техника и технология силикатов. 2012. Т. 19, № 4. С. 6-12.
8. Использование аморфных кремнистых пород-опок для получения пеностекла с пониженной температурой вспенивания / А. А. Жималов и др. // Стекло и керамика. 2017. № 1. С. 14-16.
9. Никитин А. И., Казанцева Л. К. Теплоизоляционные материалы и изделия на основе трепелов Потанинского месторождения // Строительные материалы. 2014. № 8. С. 34-36.
10. Формирование источника порообразующего газа при увлажнении природных алюмосиликатов раствором NaOH / Л. К. Казанцева и др. // Стекло и керамика. 2012. № 10. С. 37-42.
11. Кетов А. А. Получение строительных материалов из гидратированных полисиликатов // Строительные материалы. 2012. № 11. С. 22-24.
12. Формирование пористой структуры силикатных теплоизоляционных материалов / С. Н. Леонович и др. // Строительные материалы. 2012. № 4. С. 84-86.
13. Лотов В. А. Контроль процесса формирования структуры пористых материалов // Строительные материалы. 2000. № 9. С. 26-28.
14. Суворова О. В., Мотина А. В., Манакова Н. К. Теплоизоляционные материалы из кремнеземсодержащего сырья // Вестник МГТУ. 2015. Т. 18, № 1. С. 149-155.
15. Бобкова Н. М. Физическая химия силикатов и тугоплавких соединений: учебник для спец. «Хим. технология вяжущих материалов», «Хим. технология керамики и огнеупоров», «Хим. технология стекла и ситаллов». Мн.: Высш. шк., 1984. 256 с.
Сведения об авторах
Манакова Надежда Кимовна
кандидат технических наук, научный сотрудник, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected] Сенета Антонина Андреевна
Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета, г. Апатиты, Россия Manakova Nadezhda Kimovna
PhD (Engineering), Researcher, Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected] Seneta Antonina Andreevna
Apatity Branch of Murmansk State Technical University, Apatity, Russia
DOI: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.024 УДК 66
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКИ КОЛЬСКОГО НЕФЕЛИНОВОГО КОНЦЕНТРАТА В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ
А. В. Морозков, А. М. Норов
Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам им. профессора Я. В. Самойлова, Череповец, Россия
Аннотация
Рассмотрены существующие и выбраны наиболее перспективные для промышленной реализации способы переработки кольского нефелинового концентрата с получением гидроксида алюминия и глинозёма в качестве товарного продукта. Ключевые слова:
нефелиновый концентрат, щелочная переработка, кислотная переработка.
PROMISING METHODS OF PROCESSING THE KOLA NEPHELINE CONCENTRATE IN THE CURRENT SITUATION
A. V. Morozkov, A. M. Norov
Y. Samoilov Research Institute of Fertilizers and Insectofungicides, Cherepovets, Russia Abstract
The paper gives an overview of existing methods for processing the Kola nepheline concentrate into aluminum hydroxide and alumina as the end products. We selected the most promising methods of the Kola nepheline concentrate processing for a possible practical application of them in future. Keywords:
nepheline concentrate, alkaline processing, acid processing.
