CC BY
73
В. А. Куликов (магистрант), И. В. Ковков (к.т.н., асс.), В. З. Абдрахимов (д.т.н., проф.)
Исследование ИК-спектроскопическим методом фазового состава керамзита на основе отходов горно-обогатительной фабрики при обогащении угля
Самарский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра производства строительных материалов, изделий и конструкций 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 194; тел. (846) 339146, e-mail: [email protected]
V. A. Kulikov, I. V. Kovkov, V. Z. Abdrakhimov
Study by the IR-spectral technique of phase composition of the expanded clay on the basis of waste metal is mountain-ore mill at the coal preparation
Samara State University of Architecture & Civil Engineering 194, Molodogvardeyskaya Str, Samara, 443001, Russia; ph. (846) 339146, e-mail: [email protected]
Исследования показали, что на основе отходов углеобогащения можно получить керамзит с повышенными физико-механическими показателями. Введение в состав керамических масс отходов углеобогащения способствует при температуре обжига 1050 оС образованию муллита, который способствует повышению физико-механических показателей керамзита.
Ключевые слова: анортит; внутренняя энергия; гематит; гранулы; жидкое стекло; ИК-спектр; керамзит; муллит; нефелин; отходы углеобогащения; спектры поглощения; фазовый состав; химический состав.
Применение ИК-спектроскопии в научноисследовательских, 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, этот метод открывает новые неоценимые возможности и резервы для решения практических задач в различных узкоспециальных областях производства и техники 1.
Для определения спектральным методом минералогического состава и характера строения силикатов необходимо, чтобы при возникновении спектров строение исследуемых объектов не нарушалось. Это достигается получением спектров поглощения при прохождении пучка лучей через тонкий слой исследуемого вещества, либо спектров отражения лу-
Дата поступления 19.02.10
Studies have demonstrated that on the basis of coal preparation waste metal it is possible to gain expanded clay with the enhanced physical-mechanical parameters. Injection in composition of ceramic masses of waste metal of coal preparation promotes at temperature of furnacing of 1050 оС to formation a mullit which one promotes raise of physical-mechanical parameters of an expanded clay.
Key words: anorthite; an intrinsic energy; haematite; granules; soluble silicate; infra-red spectrum; an expanded clay; mullit; nepheline; coal preparation waste metal; absorption spectrums; phase composition; an elemental composition.
чей от полированной грани объекта, а также спектров комбинированного рассеяния света в видимой области, образующихся при рассеянии монохроматического излучения колеблющимися атомами или группами атомов в веще-2
стве 2.
Известно, что внутренняя энергия вещества складывается из энергии вращения и колебания ядер и энергии движения электронов. Спектры поглощения получаются при изменениях внутренней энергии в веществе в результате квантовых переходов из одного энергетического состояния в другое.
Для исследования сложных веществ используют преимущественно колебательные спектры поглощения, расположенные в инфракрасной области длин волн от 2 до 100 мкм. На возбуждение их требуется энергия, соответствующая волновым числам от 100 до 5000 см-1 1,2.
Радикалы имеют свои собственные характеристические колебательные частоты, которые появляются и в спектрах кристаллов и стекол, содержащих эти группы. Этот метод используется для определения строения силикатов, а также для их количественного минералогического анализа 1,2.
В работах 3,4 была показана принципиальная возможность использования отходов ГОФ (горно-обогатительной фабрики) при обогащении угля в производстве теплоизоляционного материала (керамзита) на основе жидкого стекла и монтмориллонитовой глины. Химический состав отходов ГОФ при обогащении угля (отходы флотации углеобогащения ГОФ «Томусинская») и монтмориллонитовой глины Смышляевского месторождения представлены в табл. 1.
Производство керамзита осуществлялось, как и в работах 3,4, по следующей технологии: керамзит из оптимального состава, мас. %: отходы флотации углеобогащения — 35, жидкое стекло плотностью 1.45—1.50 г/см3 — 30, хлорид натрия — 15, монтмориллонитовая глина Смышляевского месторождения — 20 гранулировался и подвергался термообработке при температуре 1050 оС. Полученные гранулы имели плотную сплошную корочку и внутреннюю высокопористую структуру. Строение гранулы аналогично керамзитовой, но толщина корочки значительно меньше. Результаты физико-механических показателей керамзита приведены в табл. 2.
Истинная пористость (общая) исследуемого керамзита находится в пределах 50—65 %, пористость кажущаяся (открытая) — 30—55 %, пористость закрытая — 10—15 %.
ИК-спектры поглощения образцов были получены на спектрофотометре «БрекоЫ-75JR». Образцы были приготовлены в виде суспензии порошка с вазелиновым маслом.
В исследуемом образце на ИК-спектре (рис. 1) появляются характерные для а-крис-тобалита полосы поглощения 670—696 см-1.
1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400
щ V, СМ’1
Рис. 1. ИК-спектры образцов из исследуемого состава. Температура обжига 1050 оС
Практическая расшифровка полученных ИК-спектров осуществлялась сравнением со спектрами известных веществ по наличию характеристических полос. Частота максимумов 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 1,2.
Последнее характерно для кварца Бі-О-Ме (где Ме — металл).
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 кристо-балита 1010—1260, у кварца 980—1200 и у кварцевого стекла 1027—1195 см-1 (рис. 1),
Таблица 1
Химический состав отходов углеобогащения и монтмориллонитовой глины
Компоненты Содержание оксидов, мас. %
вЮ2 АІ2О3 Рв2Оз СаО МдО Р2О вОз п.п.п.
Отходы углеобогащения 50.40 18.56 6.4 1.51 0.50 4.78 0.90 16.5
Монтмориллонитовая глина 57.5 15.6 4.2 2.1 7.3 3.5 0.5 7.8
Таблица 2
Физико-механические показатели керамзита
Диаметр Прочность Средняя Насыпная Температура
гранул, при сжатии, плотность в плотность, обжига, о С
мм МПа куске, г/см3 кг/м3
6-8 1.8-2.0 0.6-0.9 480-520 1050
Для этих решеток характерная связь 81—0—81, но под разными углами.
Содержание кристобалита снижает механическую прочность керамических изделий и обусловливает проницаемость изделий, так как при превращении а-кварца в а-кристоба-лит снижается плотность, и объем увеличивается на 15.4% 1,2. Если решетка керамического материала испытывает полиморфные превращения, то происходит и разрыхление.
Происходящие при полиморфных превращениях расширение или сжатие могут 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 интервале при V = 580 см-1 и резком пике поглощения у силлиманита при V = 691 см-1. Начало кристаллизации муллита в исследуемом образце при температуре обжига 1050 оС подтверждается увеличением полосы поглощения V = 580 см-1 на ИК-спектре (рис. 1).
Ряд ученых в работах ^ 5, 6 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 ^ 5, 6. Состав муллита долгое время являлся предметом дискуссий, в результате которых исследователи пришли к мнению, что он находится в пределах от 2А1203 • 8Ю2 до 3А1203 • 28Ю2. По данным В. М. Белова 7, 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 8 муллит рассматривается как неупорядочный алюмосиликат, занимающий промежуточное положение между упорядоченным силлиманитом и андалузитом.
Решетка муллита (3А1203 • 28102) весьма близка к решетке силлиманита и обладает дефектной структурой последнего ^ 5, 6. Она возникает путем заполнения мест в решетке силлиманита ионами О-2 и А1+3. Поэтому рентге-
нограммы муллита и силлиманита весьма близки, тогда как их инфракрасные спектры поглощения, наоборот, весьма различны, что делает спектральный анализ удобным для определения этих минералов ^ 5-8.
Полосы связей 811У-0-А1у1 в структурах с изолированными группами [8104] лежат в интервале 880-985 см-1. В цепочных структурах муллита они сдвигаются к значениям 1130-1155 см-1 (рис. 1).
Таким образом, в результате проведенных исследований с помощью ИК-спектроскопи-ческого метода установлено, что минералы, у которых рентгенограммы весьма близки, имеют весьма различающиеся инфракрасные спектры поглощения, что делает спектральный анализ удобным для выявления этих минералов. В данной работе исследования показали, что на основе отходов углеобогащения можно получить керамзит с повышенными физикомеханическими показателями. Введение в состав керамических масс отходов углеобогащения способствует при температуре обжига 1050 оС образованию муллита, который способствует повышению физико-механических показателей керамзита.
Литература
1. Ковков И. К., Абдрахимова Е. С., Абдрахимов В. З. // Химия и химические технологии.-2007.- Т. 50.- Вып. 5.- С. 114.
2. Куколев Г. В. Химия кремния и физическая химия силикатов.- М.: Высшая школа, 1966. — 464 с.
3. Пат. 2362749 РФ Композиция для производства пористого заполнителя. / Д. Ю. Денисов, И. В. Ковков, В. З. Абдрахимов, Л. В. Журавль// Б. И.- 2009.- №21.
4. Денисов Д. Ю., Ковков И. В., Абдрахимов В. З. // Башкирский химический журнал.- 2008.-Т. 15.- №2.- С. 107.
5. Будников П. П., Балкевич В. Л., Бережной А. С., Булавин И. А., Куколев Г. В., Полубоя-ринов Д. Н., Попильский Г. Я. Химическая технология керамики и огнеупоров.- М: Стройиз-дат, 1972.- 553 с.
6. Августиник А. И. Керамика.- Л.: Лениздат, 1975.- 591 с.
7. Белов Н. В. Получение муллита и его свойства // Тр. Львовского университета.- 1956.- Вып. 10.- С. 10.
8. Абдрахимова Е. С.// Материаловедение.-2003.- №4.- С. 26.
