CC BY
20
МРНТИ 53.01.91
https://doi.org/10.48081/BAHA7684
*М. Елубай1, Г. Айткалиева2, Д. Ержанова3,
Д. Қарлы4, С. Масакбаева5
1,5Торайгыров университет, Республика Казахстан, г. Павлодар;
2,3,4Сатпаев университет, г. Алматы.
*e-mail: [email protected]
2https://orcid.org/0000-0001-9872-6317. +77071225811
3https://orcid.org/0000-0002-3671-0210. +77471315591
1https://orcid.org/0000-0002-6209-5215. +77056124252
5https://orcid.org/0000-0001-8668-472X. +77772853802
4https://orcid.org/0000-0003-3764-9666. +77071638786
КРАСНЫЙ ШЛАМ – СЫРЬЕ ДЛЯ ГЕОПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ
С началом нового столетия во всем мире активно развивается
тенденция для создания экологически устойчивых материалов во всех сферах
жизнедеятельности человека. В то же время ежегодно растет количество
промышленных отходов, которые из-за отсутствия области применения,
подлежат захоронению на полигонах с огромными площадями. В связи с этим
одним из реализуемых направлении является разработка новых строительных
материалов, в частности, вяжущего вещества с использованием различных
отходов. На сегодняшний день, повсеместно используемый вяжущий материал
-портландцемент имеет ряд недостатков и не является безопасным для
окружающей среды. Поэтому необходимо найти его аналог, который бы
обладал всеми желаемыми свойствами. Как раз таки материалы на основе
геополимеров являются таковыми. Существующие
подходы для синтеза
геополимерных строительных материалов нуждаются в усовершенствовании.
В настоящей обзорной статье рассмотрены научно-исследовательские
работы по методам получения геополимерных материалов из различных видов
сырья, обсуждены и сопоставлены результаты, а также приведены условия
и физико-химические параметры, влияющие на свойства конечного продукта.
В этом исследовании оценивалась возможность использования красного в
качестве прекурсоров для получения геополимеров на их основе.
Ключевые слова: геополимер, отходы, промышленные отходы, красный
шлам, сырье.
Введение
Геополимерные композиты считаются более экологически устойчивой
альтернативой бетону на портландцементе (ПК), поскольку последний является
вторым по величине источником выбросов CO2 (4–8 % мировых выбросов CO2)
и третьим
по
величине
потребителем
энергии [1],
что
привело
к
увеличению
исследований и разработке геополимеров.
Геополимеры это трехмерные аморфные материалы Si–O–Al, полученные
активацией раствора щелочью или силиката щелочного металла источником
алюмосиликата при комнатной температуре [2]. В исследованиях по всему миру
в качестве необходимых источников алюмосиликатов использовались следующие
материалы (рис. 1) [3].
Традиционным и высоко реакционноспособным принято считать метакаолин,
получаемый из каолина, очень распространенного в земной коре [4]. Примесями
каолина являются кварц, слюда, полевой шпат, мусковит, биотит, оксид титана
и гидроксид
железа
[5, 6], и ожидается, что каолин будет богат каолинитом.
Каолинит переходит из кристаллической в аморфную структуру между 650 и
800°С [6–8], но это зависит от свойств исходной глины. Различное геологическое
происхождение, процессы термической обработки (быстрое кальцинирование,
кальцинирование во вращающейся печи) и содержание примесей могут изменять
реакционную способность метакаолинов [9] и, следовательно, влиять на свойства
геополимеров [10,11].
Рисунок 1 – Исходное сырья для получения геополимеров
Однако с целью улучшения экологического профиля геополимеров требуется
использования в качестве сырья промышленных побочных продуктов.
Большой интерес
в качестве
сырья для
получения геополимерных материалов
представляет красный шлам ввиду повышенного содержания щелочи и алюмината [12].
Авторы работы [13] изучали способность соединения красного шлама и
летучей золы
отвердевать тяжелые
металлы. На
основании полученных результатов
показано, что смесь красного шлама и летучей золы можно использовать в качестве
недорогого цеолитного продукта с эффективностью отверждения 98,23 %, 99,09
%, 99,72 % и 98,21 % для Cu, Zn, Pb и Cd соответственно. Учеными [14] изучены
свойства геополимера на основе красного шлама с различным содержанием
красного шлама
в процессе
изготовления кирпича
и установлено, что оптимальная
доля добавки красного шлама составляет 30 %. В работе [15] определены две
схемы для оценки
влияния содержания красного шлама и
пористости
на свойства
геополимеров
на основе красного шлама. Результаты исследований показали,
что комбинация алюминиевой пудры и 40 % массы красного шлама проявляет
наилучший эффект замещения.
Однако, несмотря на большое количество исследований в данном направлении,
материалы
и схемы
дозирования
в разных
исследованиях сильно
различаются,
что
затрудняет получение регулярных результатов по характеристикам геополимера
на основе красного шлама. В связи с этим нами были проведены работы по
исследованию основных характеристик красного шлама, образующегося на
предприятиях РК.
Материалы и методы
В качестве
объекта
исследований служил красный шлам
или бокситовый
остаток, отобранный на АО «Алюминий Казахстана».
Химический состав красного шлама
охарактеризован рентгенофлуоресцентной
спектрометрией. Минералогический состав оценивали методом рентгеновской
дифракции (РФА) на дифрактометре Phaser Bruker.
Результаты и обсуждение
Состав красного шлама представлен в таблице 1 и рисунке 1.
Таблица 1 – Химический состав бокситового шлама [16]
Содержание оксидов, мас. %
SiO2 AlO23 TiO2 FeO23
CaO MgO KO2NaO265.98 8.91 1.57 8.37 9.56 1.70 0.15 3.76
По результатам таблицы 1 основными оксидами, присутствующими в
красном шламе, являются оксиды алюминия, кремния и железа, что подтверждает
возможность получения геополимерных композитов на его основе. Кроме того,
шлам содержит оксиды натрия, кальция и калия, которые применялись в процессе
производства стекла при снижении вязкости кремнезема.
Рисунок 1 – Дифрактограмма красного шлама
Основными минералами красного шлама, выявленными методом
рентгеноструктурного анализа
(рисунок
1), были кальцит, трёхкальциевый
алюминат, гематит, магнетит и др.
По
результатам
исследований можно
отметить,
что
красный шлам
имеет
более
высокую концентрацию оксида кальция и натрия, что соответственно повышает
его pH. В этой связи важно учесть [17], что присутствие кальция в избыточном
количестве негативно для образования трехмерной алюмосиликатной сетки.
Вместе с тем, авторы работы [19] считают, что атомы Fe могут замещать
только 25 % атомов Al в структуре геополимера, из чего следует, что Fe2O3/Al2
O3
> 0,37 оказывает отрицательное влияние на прочность на сжатие. По результатам
таблицы 1 видно, что содержание Fe2O3
составляет 8,37 %, тогда как Al2
O3
составляет 8,91 % и соответствует соотношению Fe2O3/Al2O3 около 1,0.
Известно, что молярное соотношение Si/Al очень важно при производстве
геополимеров и влияет на микроструктуру и механические свойства геополимеров,
которые образуются при комнатной температуре. Также сообщается о влиянии
соотношения
SiO2/Al2O3
в повышении прочности геополимерного материала.
Оптимальным соотношением SiO2/Al2
для достижения наибольшей прочности
O3
является
3,4–3,8 [20].
В образце
исследуемого
красного
шлама
выявлено
соотношение
7,4,
что
оказалось
за
пределами необходимого
диапазона.
Установлено
[20], что геополимеры с более высоким соотношением SiO2/Al2O3
затвердевают
дольше, в связи с тем, что время отверждения геополимера контролируется
частицами алюминия. Таким образом, данный красный шлам не является хорошим
материалом для получения геополимеров и требует комбинирования с другими
дополнительными материалами, состоящими из алюминия.
Информация о финансировании
Данное исследование финансируется Комитетом науки Министерства науки
и высшего образования Республики Казахстан (грант № АР09259187).
Выводы
В
настоящей работе
представлен обзор
по
применяемым
сырьевым
источником
по
разработке
геополимерных
композитов.
Показано,
что
одним
из
перспективных
сырьевых источников может служить красный шлам, образующийся в
алюминиевой промышленности в результате
процесса
Байера
для
извлечения
глинозема (Al2O3) из бокситовой руды, который включает обработку бокситовой
руды раствором гидроксида натрия, был охарактеризован как прекурсор для
получения геополимерных композитов. Выявлено, что использование красного
шлама для геополимеризации удовлетворило бы необходимость надлежащей
утилизации отхода, что уменьшило его негативное воздействие на окружающую
среду. На основании проведенных исследований установлено, что для получения
качественного и прочного геополимерного композита необходимо комбинировать
красный шлам
с
дополнительными материалами с
высоким
содержанием
алюминия.
СПИСОК
ИСПОльзОВАННыХ
ИСТОчНИКОВ
1 Abdulkareem, M., Komkova, A., Havukainen, J., Habert, G., Horttanainen,
M. Identifying Optimal Precursors for Geopolymer Composite Mix Design for Different
Regional Settings: A Multi-Objective Optimization Study // Recycling. –2023. 8 (32).
[Электронный ресурс]. – https://doi.org/10.3390/recycling802003.
2 N’cho, W. C., Gharzouni, A., Jouin, J., Rossignol, S.
Impact of different
metakaolin mixtures on
oligomer
formation
and geopolymer properties:
Impurity effect
// Open Ceramics. –2023. –№ 15.
3 Cong, P., Cheng, Y.
Advances in geopolymer materials: A comprehensive review
// Journal of traffic and transportation engineering. –2021. –№ 8 (3). – С. 283–314.
https://doi.org/10.1016/j.jtte.2021.03.004.
4 Nergis, D. D. B., Abdullah, M. M. A. B., Vizureanu, P., Tahir, M. F. M.
Geopolymers and their uses: review // IOP Conf Ser Mater Sci Eng. –2018. –№374.
5 Sahnoun, R. D., Bouaziz, J.
Sintering characteristics of kaolin in the presence
of phosphoric acid binder // Ceramics International. –2012. –№ 38. –С. 1–7.
6 Albidah, A. S.
Effect of partial replacement of geopolymer binder materials
on the fresh and mechanical properties: a review// Ceramics International. – 2021. –
№ 47. –С. 14923–14943.
7 Mansour, S. M., Ghernouti, Y., Chaid, R.
Valorization of calcined kaolinitic
clay used in high performance mortar // Journal of Building Materials and Structures.
–2020. – № 7. – С. 32–41.
8 Kamseu, E., Alzari, V., Nuvoli, D., Sanna, D., Lancellotti, I., Mariani, A.
Dependence of the geopolymerizationprocess and end-products to the nature of solid
precursors : challenge of the sustainability // Journal of Cleaner Production. –2021.
–№ 278.
9 Elimbi, A., Tchakoute, K. H., Njopwouo, D.
Effects of calcination temperature
of kaolinite clays on the properties of geopolymer cements // Construction and Building
Materials. –2011. –№ 25. – С. 2805–2812.
10 Wan, Q., Rao, F., Song, S., Cholico-Gonza´lez, D. F., Ortiz, N. L.
Combination
formation in the reinforcement of metakaolin geopolymers with quartz sand // Cement
and Concrete Composites. –2017. – № 80. – С. 115–122.
11 Autef, A., Joussein, E., Poulesquen, A., Gasgnier, G., Pronier, S.,
Sobrados, I., Sanz, J., Rossignol, S.
Infuence of metakaolin purities on potassium
geopolymer formulation: the existence of several networks // Journal of Colloid and
Interface Science. –2013. – № 408. – C. 43–53.
12 Du, Z., Sheng, S., Guo, J.
Effect of composite activators on mechanical
properties, hydration activity and microstructure of red mud-based geopolymer // Journal
of materials research and technology. – 2023. – № 24. – C. 8077–8085.
13 Ma, W. J., Liang, Z. Y., Liu, M. S., Xu, Z. W., Zhao, Q. X.
Synthesis
of lowcosting 4A-zeolite and stabilization of heavy metals from municipal solid
waste incineration fly ash and activated red mud // Asia-Pacific Journal of Chemical
Engineering. – 2022. – № 17 (5).
14
Singh,
S.,
Aswath,
M.
U.,
Ranganath,
R.
V.
Performance
assessment
of
bricks
and prisms: red mud based geopolymer composite // Journal of Building Engineering.
–2020. – № 32.
15 Ascensao, G., Seabra, M. P., Aguiar, J. B., Labrincha, J. A.
Red mudbased
geopolymers with tailored alkali diffusion properties and pH buffering ability // Journal
of Cleaner Production. – 2017. – № 148. –C. 23–30.
16 Сергеев,
Н. П., Максимова,
В. В.,
Толегенов Д. Т.
Перспективы
использования красных шламов в керамических
технологиях //
Материалы
XXIII
Международной конференции «Химия и химическая технология в XXI веке». –
2022. – С. 149–150.
17 Abbasi, S. M., Ahmadi, H., Khalaj, G., Ghasemi, B.
Microstructure
and
mechanical properties of a metakaolinite-based geopolymer nanocomposite reinforced
with carbon nanotubes // Ceramics International. –2016. – № 42. – C. 15171–15176.
18 Davidovits, J., Davidovits, R.
Ferro-sialate geopolymers. Geopolymer
Institute
Library. –2020. – 1–6. [Electronic
resource]. – https://doi.org/10.13140/
RG.2.2.25792.89608/2.
19 Lahoti, M., Yang, E. H., Tan, K. H.
Proc. Int. Conf. on 40th Advanced Ceramics
and Composites (United States: Florida/Wiley). – 2017. – C. 21–33.
20 Faradilla, F. S. et al.
Optimization of SiO2 /Al2 O3 Ratio in the Preparation
of Geopolymer from High Calcium Fly Ash // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci.
–2020. –№ 616.
Материал поступил в редакцию 07.09.23.
M. Yelubay1, G.Aitkaliyeva2, D.Yerzhanova3, D. Karly4, S.Massakbayeva5
1,2,5Toraighyrov University, Republic of Kazakhstan, Pavlodar;
3,4Satbayev University, Republic of Kazakhstan, Almaty.
Material received on 07.09.23.
RED MUD – A RAW MATERIAL FOR GEOPOLYMER COMPOSITES
With the beginning of the new century, a trend is actively developing around the
world to create environmentally sustainable materials in all spheres of human life.
At the same time, the amount of industrial waste is growing every year, which, due to
the lack of a field of application, are subject to burial in landfills with huge areas. In
this regard, one of the areas being implemented is the development of new building
materials, in particular, a binder material using various wastes. Today, the widely
used binder -Portland cement has a number of disadvantages and is not safe for the
environment. Therefore, it is necessary to find its analogue, which would have all
the desired properties. Materials based on geopolymers may be promising. Existing
approaches for the synthesis of geopolymer building materials need to be improved.
This review discusses research works on methods for obtaining geopolymer materials
from various types of raw materials, discusses and compares the results, and also
presents the conditions and physicochemical parameters that affect the properties of
the final product. This study evaluated the possibility of using red as precursors for
obtaining geopolymers based on them.
Key words: Geopolymer, waste, industrial waste, red mud, raw material.
М. Елубай1, Г.Айткалиева2, Д. Ержанова3, Д. Қарлы4, С. Масакбаева5
1,2,5Торайғыров университеті, Қазақстан Республикасы, Павлодар қ;
3,4Сәтбаев университеті, Қазақстан Республикасы, Алматы қ.
Материал баспаға түсті 07.09.23.
ҚЫЗЫЛ БАЛШЫҚ – ГЕОПОЛИМЕРЛІК
КОМПОЗИТТЕРДІҢ ШІКІЗАТЫ
Жаңа ғасырдың басталуымен бүкіл әлемде адам өмірінің барлық
салаларында экологиялық тұрақты материалдарды жасау үрдісі белсенді
түрде дамып келеді. Сонымен қатар, өндіріс қалдықтарының көлемі
жыл сайын артып келеді, қолдану саласының жоқтығынан оларды үлкен
аумақтары бар полигондарға көмуге тура келеді. Осыған байланысты жүзеге
асырылып жатқан бағыттардың бірі – жаңа құрылыс материалдарын, атап
айтқанда, әртүрлі қалдықтарды пайдаланатын байланыстырғышты әзірлеу.
Бүгінгі күні кеңінен қолданылатын байланыстырғыш – портландцементтің
бірқатар кемшіліктері бар және қоршаған орта үшін қауіпті болып
табылады. Сондықтан барлық қажетті қасиеттерге ие болатын оның
аналогын табу керек. Геополимерлер негізіндегі материалдар солар қатарына
жатады. Геополимерлік құрылыс материалдарын синтездеудің қолданыстағы
тәсілдерін жетілдіру қажет. Бұл шолу мақаласында түрлі шикізат түрлерінен
геополимерлік материалдарды алу әдістері бойынша зерттеу жұмыстары
қарастырылады, нәтижелер талқыланады және салыстырылады, сонымен
қатар соңғы өнімнің қасиеттеріне әсер ететін шарттар мен физика-химиялық
параметрлер ұсынылады. Бұл зерттеуде қызыл боксит қалдығы геополимерлер
алу үшін прекурсорлар ретінде пайдалану мүмкіндігін бағаланды.
Кілтті сөздер: геополимер, қалдықтар, өндірістік қалдықтар, қызыл
балшық, шикізат.
