CC BY
35
Svetlov Anton Viktorovich
Institute of Industrial North Ecology Problems of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the RAS", Apatity, Russia
Fokina Nadezhda Viktorovna
PhD (Engineering), Institute of Industrial North Ecology Problems of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the RAS", Apatity, Russia [email protected] Yanishevskaya Elena Sergeevna
Institute of Industrial North Ecology Problems of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the RAS", Apatity, Russia
Goryachev Andrey Aleksandrovich
Institute of Industrial North Ecology Problems of the Federal Research Centre "Kola Science Centre of the RAS", Apatity, Russia [email protected]
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.64-67 УДК 666.1 + 622:502.7
КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА АМОРФНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД НА СТЕКОЛЬНОЕ СЫРЬЕ «КАНАЗИТ» И РЯД СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Р. Г. Мелконян
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (Горный институт), г. Москва, Россия
Аннотация
Рассмотрены особенности и перспективы комплексной переработки аморфных пород на стекольное сырье «каназит». Ключевые слова:
стекольное сырье «<каназит», аморфные горные породы, гидротермальный способ.
COMPLEX PROCESSING OF AMORPHOUS ROCKS FOR GLASS RAW "KANAZITE" AND SILICATE MATERIALS
R. G. Melkonyan
National Research Technological University "Moscow Institute of Steel and Alloys" (Mining Institute), Moscow, Russia
Abstract
Peculiarities and perspectives of complex processing of amorphous rocks for glass raw materials "kanazit" were considered. Keywords:
glass raw materials "kanazit", amorphous rocks, hydrothermal method.
Анализ обеспеченности стекольных заводов кремнеземсодержащим сырьём — основным компонентом большинства промышленных стёкол — свидетельствует о том, что кварцевые пески большинства месторождений по качеству не соответствуют возросшим современным требованиям и без обогащения не могут быть использованы при производстве большинства видов стеклоизделий. Особенно напряженным является состояние обеспеченности высококачественным кварцевым песком производства полированного, оптического, увиолевого и других специальных стекол, а также сортовой посуды и хрусталя. Кроме того, ещё в 1999 г. Международное aгентство по изучению рака (International Agency for Research on Cancer) включило кристаллический SiO2 в группу канцерогенных веществ.
Вследствие ограниченности запасов высококачественных кварцевых песков, неравномерного их размещения по экономическим районам страны и больших транспортных затрат на перевозку, а также из-за канцерогенности и тугоплавкости кварца, встаёт проблема вовлечения в хозяйственный оборот новых видов недефицитного и кремнеземсодержащего стекольного сырья, в том числе аморфных горных пород — перлитов, пемз, диатомитов, опок, трепелов и др. Россия располагает крупнейшей сырьевой базой различных по составу и свойствам кремнеземсодержащих аморфных горных пород как вулканического, так и осадочного происхождения. Только разведанные запасы названных пород превышают 1,1 млрд т. В этом отношении Россия занимает ведущее место в мире. Большие запасы горных пород в мире, в частности перлитов, имеются в таких странах, как Аргентина, Армения, Австралия, Греция, Грузия, Венгрия, Иран, Мексика, Новая Зеландия, Филиппины, Словакия, Турция, США, Украина, ЮАР, Япония и др.
Целью нового стекольного проекта, разработанного в ереванском НПО «Камень и силикаты» и в ООО «НПФ КАНАЗИТ», является научное и технологическое обоснование расширения и улучшения структуры сырьевой, экологически чистой базы для стройиндустрии, в том числе стекольного производства, повышение технологической и экономической эффективности. Основная идея данного проекта заключается в использовании аморфных кремнезёмсодержащих горных пород с заменой сухого способа приготовления стекольной шихты на мокрый способ, основанный на перемешивании растворов или суспензии стеклообразующих компонентов на уровне наночастиц в коллоидном растворе каназитообразующих компонентов, путём вовлечения аморфных разновидностей кремнезёма в стекольное производство.
Суть проекта заключается в гидротермальном способе получения стекольного сырья «каназит», названного автором, заслуженным изобретателем Республики Армения Г. С. Мелконяном (1914-2003 гг.), в честь Канакерского алюминиевого завода «КанАЗ», где оно было получено, на основе аморфных горных пород [1, 2]. При этом впервые предложены: научно-обоснованный способ получения стёкол «минуя жидкую фазу», т. е. получение стекла «снизу» при гидротермальном способе приготовлении шихты; замена сырьевых материалов для производства стекла, имеющих кристаллическую структуру, аморфными сырьевыми материалами и продуктами их переработки; при производстве хрусталя сырьевые материалы, такие как кварцевый песок, свинцовый глёт или сурик, поташ, оксид цинка, заменить аморфными кремнезёмсодержащими горными породами, калиевым и натриевым жидкими стёклами, силикатом свинца и силикатом цинка, аморфным кремнезёмом и др.; замена в стекольной промышленности сухого способа приготовления шихты на «мокрый способ», т. е. на перемешивание растворов или суспензий стеклообразующих компонентов на уровне наночастиц в коллоидном растворе; экологически более эффективная замена основного ингредиента в стекловарении — кварцевого песка, являющегося канцерогенным материалом 1 -й группы, на новые виды сырья, имеющие аморфную структуру (перлиты, пемзы, диатомиты, опоки, трепела и др.); варка стекла любого состава на основе каназита без добавления извне стеклобоя.
Нами была разработана новая концепция получения стекольного сырья «каназит» и были изучены физико-химические свойства по сравнению с обычной шихтой аналогичного состава [3].
Сравнительная оценка однородности «каназит» и обычной шихты с учетом естественной радиоактивности содержащегося в сырье изотопа К40 показала, что однородность приготовленной гидротермальным способом шихты в 5,6 раза выше, чем у обычной шихты.
Физико-химические свойства хрустальных стекол, полученных на основе каназита (показатель преломления, светопропускание, химическая устойчивость, вязкость, удельное электрическое сопротивление, термостойкость, коэффициент термического расширения, микротвердость и др.), удовлетворяют требованиям и свойствам высококачественных хрусталей с содержанием Бе203 < 0,02 %.
Был выбран подбор технологического оборудования для производства каназита и обычной шихты: оборудованиеихты:й шихты:ского оборудования для производства каназ«каназит»а бункер ^ элеватор ^ дробилка ^ автоклав ^ насосы ^ барабанные фильтры ^ бак-мешалка ^ гранулятор ^ сушильные камеры ^ ленточный конвейер ^ весы - автоматы ^ бункер загрузчика шихты ^ стекловаренная печь; оборудование, используемое при подготовке шихты обычным способом: бункер ^ элеватор ^ ленточный конвейер ^ сушильные барабаны ^ вибросито ^ магнитные сепараторы ^ весы-автоматы ^ смесительный шнек ^ дробилки ^ бегуны ^ дезинтеграторы ^ мельницы ^ грохоты ^ флотооттирочные машины ^ циклоны ^ фильтры ^ питатели ^ дозаторы ^ смесители шихты ^ весы-автоматы ^ бункер загрузчика шихты ^ стекловаренная печь.
Нами были подобраны необходимые сырьевые материалы для получения шихты состава хрусталя: аморфные горные породы (в частности, перлиты) — гидраты оксидов калия и натрия — гидрооксид свинца — азотная кислота — борная кислота — оксид цинка.
В результате комплексной переработки аморфных горных пород (перлитов, пемз, трепелов, диатомитов, опок и т. д.) получается очень ценный для народного хозяйства силикатный материал «каназит». На рисунке приведена технологическая схема получения «каназита-1» для производства хрусталя и «каназита-2» состава темно-зеленой тары. По разработанной нами технологии возможно получение 25 новых силикатных продуктов. Это каназит десяти различных химических составов, каназит для производства стекловолокна и супертонкой стекловаты, калиевое и жидкое стекло, четыре типа цеолитов, аморфный кремнезем, наполнитель для производства бумаги (карбосиликат кальция), метасиликаты натрия, кальция и магния, фильтрующие порошки, глинозем, ситаллы, пеностекло, пенотуф, декоративно-облицовочные материалы (перлитокремнезит, пенокремнезит и т. д.) и др.
Заводские промышленные варки хрусталя на основе каназита были осуществлены на ведущих хрустальных заводах СССР, а затем России и стран СНГ, таких как на Гусевском хрустальном заводе, Ленинградском заводе художественного стекла, Киевском заводе художественного стекла (Республика Украина) и Арзнинском хрустальном заводе (Республика Армения), Гродненском стекольном заводе (Республика Беларусь). В результате этих варок выпущена товарная продукция хрустальных изделий разных ассортиментов.
Разработанный новый энергосберегающий способ варки стекла на основе каназита позволяет снизить температуру варки на 250-300 оС по сравнению с обычной шихтой. Выполненный ориентировочный сравнительный тепловой баланс стеклообразования позволяет достигнуть экономии топлива на каназитовом сырье, равной 665,7 кДж на 1 кг стекломассы. Применение каназита позволит снизить расход тепла на варку стекломассы на 20-25 %. Принимая для стекловаренных ванных печей тепловой КПД в среднем равным 20 % и учитывая, что варочная способность печей возрастает вследствие высокой реакционной способности шихты «каназит», прошедших в шихте реакций силикатообразования, присутствия в ней гидратированной воды и ее высокой химической однородности, можно принять, что расход топлива уменьшится на 6-10 %.
Технологическая схема получения «каназита-1» и «каназита-2»
Введение модификаторов K2O, CaO и MgO в состав каназита приводит к снижению температуры
его варки из-за разрыва связей между тетраэдрами SiO2, что приводит к экономии энергии, а также к увеличению срока службы огнеупоров и продлению компании стекловаренных печей.
Нами также установлена экологическая эффективность технологии получения каназита. Гидротермальный способ приготовления стекольной шихты позволит свести к минимуму выбросы вредных компонентов в окружающую среду в процессе варки стекла на его основе, в частности оксида свинца.
Разработана и предложена технология уплотнения стекольной шихты «каназит», позволяющая резко уменьшить выбросы его пылевидных компонентов и получить не расслаивающую однородную шихту, позволяющую в дальнейшем сварить стекло более высокого качества на его основе [4].
Новые методы и средства безопасной утилизации отходов стекла и различных промышленных отходов с получением различных декоративно-облицовочных материалов широкой гаммы цветов без применения дорогостоящих красителей позволят уменьшить их воздействие на окружающую среду [3].
Использование каназита в стеклоделии позволит повысить также экономическую эффективность предлагаемой технологии при варке стекла. Калужским филиалом Всероссийского института экономики минерального сырья и недропользования (КФ ВИЭМС) в 2008 г. было подготовлено инвестиционное предложение по внедрению технологической линии производства стекольной шихты из местного недефицитного сырья аморфных горных пород (таблица). Оценка экономической и социально-экономической эффективности подтверждает инвестиционную привлекательность данного проекта, а также необходимость проведения первоочередных мероприятий по его реализации.
Показатели экономической эффективности проекта (в ценах 2008 г.)
Показатель Значение
Ставка дисконтирования, % 12
Период окупаемости, мес. 44
Дисконтированный период окупаемости, мес. 48
Чистый приведенный доход, тыс. руб. 563501
Индекс прибыльности 3,28
Внутренняя норма рентабельности, % 61,24
Выводы
Компанией ООО НПФ «Каназит» разработан новый гидротермальный способ получения стекольного сырья «каназит». Реализация проекта даст научно и технологически обоснованность расширения и улучшения структуры сырьевой, экологически чистой базы для стройиндустрии, в том числе стекольного производства для повышения технологической и экономической эффективности, а также экологической безопасности. Регионы Российской Федерации, предлагаемые для внедрения данной технологии по проекту «Каназит», где имеются месторождения аморфных горных пород (перлитов, пемз, диатомитов, трепелов, опок и др.): Республика Бурятия, Амурская область, Кабардино-Балкарская Республика, Республика Коми, Республика Мордовия, Республика Татарстан, Краснодарский край, Приморский край, Калужская область и др.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 17-43-510364 р_а).
Литература
1. Мелконян Г.С. Гидротермальный способ приготовления комплексного стекольного сырья «Каназит» на основе горных пород и продуктов их переработки. Ереван: Айастан, 1977. 240 с.
2. Мелконян Г. С. Каназиты и стёкла на их основе (обзор). Ереван: Армниити, 1979. 59 с.
3. Мелконян Р. Г. Аморфные горные породы и стекловарение. М.: НИА Природа, 2002. 266 с.
4. Назаров В. И., Мелконян Р. Г., Калыгин В. Г. Техника уплотнения стекольных шихт. М.: Легпромбытиздат, 1985. 128 с.
Сведения об авторе
Мелконян Рубен Гарегинович
доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
(Горный институт), г. Москва, Россия
Melkonyan Ruben Gareginovich
Dr. Sc. (Engineering), Professor, National Research Technological University "Moscow Institute of Steel and Alloys"
(Mining Institute), Moscow, Russia
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.67-71 УДК 546.15
НОВЫЕ СОРБЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ПРОЦЕССАХ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЦЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ РАСТВОРОВ И ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
В. В. Милютин, Н. А. Некрасова, В. О. Каптаков
ФГБУН Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, г. Москва, Россия Аннотация
Обобщены сведения о сорбционных характеристиках различных материалов, использующихся в настоящее время для извлечения ценных компонентов из растворов, а также очистки сточных вод от токсичных примесей. Рассматриваются сорбционные свойства органических ионообменных смол (сульфокатионитов, фосфорнокислых, карбоксильных и фенольных катионитов), хелатных ионитов с различными функциональными группами, экстракционно-хроматографических материалов (импрегнатов и твердых экстрагентов). Приведены результаты исследований по изучению сорбционных характеристик различных неорганических материалов по отношению к ионам цезия и стронция, определен круг сорбентов, обладающих повышенной селективностью к данным ионам. Приведены примеры практического использования селективных неорганических сорбентов для очистки жидких радиоактивных отходов различного состава от радионуклидов цезия и стронция. Ключевые слова:
ионообменные смолы, хелатные иониты, твердые экстрагенты, неорганические сорбенты, токсичные примеси, извлечение.
NEW SORPTION MATERIALS IN THE PROCESSES OF EXTRACTING VALUABLE COMPONENTS FROM SOLUTIONS AND IN THE PROCESSES OF WASTEWATER TREATMENT
V. V. Milyutin, N. A. Nekrasova, V. O. Kaptakov
Russian Academy of Sciences A. N. Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Moscow, Russia
Abstract
The work summarizes information on the sorption characteristics of various materials, currently used to extract valuable components from solutions, as well as to treat sewage from toxic impurities. Sorption properties of organic ion-exchange resins (sulphocathionites, phosphoric-, carboxyl- and phenolic cation exchangers), chelating ion exchangers with different functional groups, extraction chromatography materials (impregnates and solid extractants) have been considered. The results of studies on the sorption characteristics of various inorganic materials with respect to cesium and strontium ions are presented, a range of sorbents, with enhanced selectivity to these ions has been determined. Examples
