CC BY
27
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 504.06:54-116
ПОЛУЧЕНИЕ АГРОВЕРМИКУЛИТА
С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОДУЛЬНО-СПУСКОВОЙ ПЕЧИ* И. А. Мосендз1, И. П. Кременецкая1, Л. А. Иванова2
ХФГБУН Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева КНЦ РАН
2ФГБУН Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н. А. Аврорина КНЦ РАН
Аннотация
Дана оценка изменения физико-химических свойств термовермикулита, полученного при разных температурах. Результаты сопоставлены с данными о свойствах вермикулитового субстрата «Випон». Ключевые слова:
детоксикация, вермикулит, обжиг.
OBTAINING OF AGROVERMICULITE USING THE MODULAR-POURING ELECTRIC FURNACE
1 12 Irina A. Mosendz , Irina P. Kremenetskaya , Liubov A. Ivanova
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS
2N. A. Avrorin Polar-Alpine Botanical Garden and Institute of the KSC of the RAS
Abstract
The evaluation of the change in the physico-chemical properties of the thermovermiculite obtained at different temperatures, has been carried out. The results are compared with data of Vipon vermiculite substrate properties.
Keywords:
detoxification, vermiculite, heating.
Введение
В экологической стабильности экосистем почвам отводится важная роль, но из-за возросшей антропогенной деятельности, побочный результат которой — загрязнение тяжелыми металлами (ТМ), их качество может быть поставлено под угрозу [1]. Поскольку поступающие в почву поллютанты с течением времени разрушаются и разлагаются, почва, как природное тело, обладает определенной способностью к самоочищению [2]. Однако при повышенных концентрациях ТМ она не в состоянии переводить их в малоактивную форму, что определяет поиск способов детоксикации избыточных количеств ТМ в загрязненных почвах.
*Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 16-35-60022, и Президиума РАН, программа «Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации».
Сотрудниками Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н. А. Аврорина (ПАБСИ КНЦ РАН) разработана инновационная гидропонная технология ускоренного создания высококачественного, готового к укладке рулонного травяно-дернового покрытия. Его надземная часть формируется из сплошного плотного покрова зеленых побегов многолетних травянистых растений, адаптированных к условиям Крайнего Севера, а обратная сторона — из массы тесно сплетенных живых корней, что после укладки рулона способствует быстрому прирастанию пластин дернины к грунту. В основе технологии местный почвозаменитель — вермикулитовый субстрат «Випон», с помощью которого создается биологически активное почвоподобное тело, выполняющее функции традиционно используемого в озеленении и биорекультивации торфяно-почвенного слоя [3].
«Випон» — экологически чистый, стерильный субстрат, в котором отсутствует асбест, характеризуется наименьшей способностью к поглощению анионов и прогрессивно резким падением способности к хемосорбции катионов. Он способен стабильно удерживать уровень рН в пределах 6,5-7,5 в течение всего периода выращивания многолетних растений, а также изменять его при необходимости в заданных пределах [4].
Для восстановления природного ландшафта, подверженного загрязнению ТМ, существует возможность получения аналогичного продукта при обжиге вермикулитового сырья на электрической модульно-спусковой печи (ЭМСП), разработанной по заказу Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья (ИХТРЭМС КНЦ РАН) в Иркутском техническом университете под руководством д. т. н. А. И. Нижегородова [5, 6]. Перед эксплуатацией печи в опытно-промышленном масштабе целесообразно отработать режимы обжига, при которых термоактивированный вермикулит можно использовать в качестве субстрата для выращивания травяной дернины.
Целью данной работы является изучение влияния температуры обжига вермикулита на его физико-химические свойства и сопоставление полученных результатов с некоторыми свойствами вермикулитового субстрата марки «Випон».
Материалы и методы исследования
В качестве материала для изучения влияния температуры обжига на свойства термовермикулита использовали фракцию -2+1 мм, выделенную из вермикулитового концентрата (ООО «Ковдорслюда», Ковдор). Навеску вермикулита порядка 3 г насыпали слоем в одно зерно в платиновую чашку и помещали в рабочую зону нагретой до заданной температуры лабораторной печи сопротивления (шахтную). Для увеличения инерционности теплового агрегата предусмотрено использование подложки из материала с высокой теплоемкостью, на которую устанавливали платиновую чашку с образцом. Материал чашки имеет низкую теплоемкость и высокую теплопроводность, что обеспечивает высокую скорость нагрева образцов вермикулита. Термопара, по показаниям которой контролировали температуру обжига, расположена в рабочей зоне печи в непосредственной близости от образца. Пробные обжиги в печи аналогичной конструкции, предусматривающие контроль температуры в слое обжигаемых образцов, показали, что заданная температура устанавливается в течение нескольких секунд. Период, в течение которого происходит нагрев образца до заданной температуры, не учитывали и начинали отсчет продолжительности опыта от момента помещения образца в печь. Продолжительность выдержки составляла 3, 6 и 9 мин, температуру обжига изменяли от 650 до 950 °С. Образцы проанализированы методом ДТА, определены рН, ЕЙ, активность и насыпная плотность.
Получение агровермикулита с применением электрической модульно-спусковой печи Полученные результаты
Эталонным образцом для сравнения служил вермикулитовый субстрат «Випон» (табл.). Рассматриваемый материал обладает оптимальными свойствами для выращивания растений методом гидропоники и добавления в почву для улучшения ее структуры. Высокая влагоудерживающая способность, низкая насыпная плотность (рнас), кислотность (рН) и окислительно-восстановительный потенциал (Е^ в пределах нормативных значений позволяют успешно использовать материал в растениеводстве.
При выполнении пробного обжига на ЭМСП ориентировались на коэффициент вспучиваемости вермикулита. Наиболее высокое значение данного показателя было достигнуто при температуре обжига 800-850 °С. Физико-химические характеристики полученного материала существенно отличаются от показателей субстрата «Випон». Следует отметить такие важные показатели, как более высокое значение рН и более низкое — ЕЙ. В то же время для использования полученного материала в качестве агровермикулита следует предусмотреть кондиционирование, позволяющее довести показатели (рН, ЕЙ) до значений, характеризующих вермикулитовый субстрат «Випон».
Общие физико-химические характеристики вермикулитового субстрата
Вермикулитовый субстрат Рнас, г/см3 Водоудерживающая способность, % рН воды ЕЙ воды
«Випон» 0,312 228 8,55 176,6
Вермикулит, полученный при обжиге на ЭМСП, 2015 г. 0,469 140 9,23 114,0
Для определения оптимального режима обжига, при котором могут быть получены наилучшие показатели термовермикулита на основе выбранного исходного сырья, выполнены предварительные эксперименты с использованием лабораторной шахтной печи, в которой так же, как и в ЭМСП, реализован механизм термоудара.
Поскольку конечной целью выполняемой работы является получение термовермикулита из некондиционных вермикулит-сунгулитовых продуктов обогащения отходов добычи флогопита, продолжительность обжига была увеличена в два и три раза по сравнению со стандартным режимом при однократном пропускании материала (3 мин). Выполненные ранее исследования показали, что степень активации серпентинов (к которым относится сунгулит) зависит не только от температуры, но и от продолжительности обжига. Продолжительность термоактивации в ЭМСП может быть увеличена за счет многократного пропускания материала через модули печи, что и было предусмотрено увеличением продолжительности термообработки от 3 до 6 и 9 мин.
Насыпная плотность образцов термовермикулита закономерно уменьшается с повышением температуры обжига, при этом продолжительность термообработки оказывает влияние на данный показатель лишь при температурах 650 и 950 °С, причем при 650 °С плотность уменьшается, а при 950 °С — растет по мере увеличения длительности эксперимента, что свидетельствует о незавершенности процессов трансформации минеральных фаз при минимальной продолжительности обжига (3 мин). Активность, которая является интегральной характеристикой субстратов, повышается по мере увеличения интенсивности термического воздействия в интервале температур 650-750 °С и снижается при более высоких температурах.
Полученные результаты согласуются с данными дифференциально-термического анализа (рис. 1). На кривых ДТА прослеживается постепенное удаление структурной воды в интервале температур от 650 до 850 °С с последующим разрушением структуры при 950°С, в результате которого образуется энстатит [7].
Рис. 1. Дифференциально-термический анализ образцов вермикулита, полученных в течение 3-минутной выдержки при различных температурах обжига
Такие физико-химические показатели, как рН и ЕЙ суспензий образцов материала в воде, также фиксируют изменение свойств термовермикулита в процессе обжига (рис. 2). Корреляционная зависимость между рН и ЕЙ резко нарушается как для образцов, полученных при 950 °С, так и для термовермикулита, полученного в условиях 9-минутной термообработки при 850 °С, что можно объяснить образованием энстатита в данных условиях.
Рис. 2. Основные физико-химические характеристики образцов вермикулита, полученных при 650 (о), 750 (А), 850 (+) и 950 °С (•), до (рН^ и после (рН2) выдерживания в воде в течение 3 сут. Значения рН3 получены после 3 сут взаимодействия с водой и отделения твердой фазы из суспензий
Получение агровермикулита с применением электрической модульно-спусковой печи Для образцов, полученных при температуре 650-750 °С, проанализировано изменение рН суспензий до (рН1) и после (рН2) выдерживания в воде в течение 3 суток. Между указанными параметрами наблюдается линейная зависимость (рис. 2), через трое суток взаимодействия термовермикулита с водой в условиях свободного контакта с атмосферным воздухом происходит снижение рН на 1-1,5 ед. Показатели щелочности для образцов, полученных при температурах 850-950 °С, остаются на уровне исходных значений рН.
Через трое суток выдерживания термовермикулита в воде суспензии разделили на твердую фазу и раствор. Измерение рН полученных растворов (рН3) показало, что для ряда образцов наблюдается суспензионный эффект, причем рН растворов меньше, чем рН суспензий (рис. 2). Наиболее высокий суспензионный эффект обнаружен для образцов, полученных при температурах 650 °С (выдержка 6 и 9 мин) и 750 °С (выдержка 3 мин). Поскольку наличие такого рода суспензионного эффекта указывает на активное протекание процесса сорбции иона гидроксония Н3О+ на поверхности твердой фазы, можно сделать вывод о том, что именно эти продукты обладают наиболее высокой сорбционной способностью по отношению к катионам металлов.
Выводы
Таким образом, при выборе режима обжига следует учитывать совокупность физико-химических показателей термовермикулита. Снижение рН (и увеличение Eh) до значений, соответствующих свойствам субстрата «Випон», для использованного в работе сырья не представляется возможным. На основании полученных результатов можно заключить, что для целей ремедиации техногенно загрязненных территорий целесообразно получать термовермикулит с более высокой сорбционной способностью, т. е. при температуре 750 °С (при продолжительности обжига 3 мин).
ЛИТЕРАТУРА
1. Ngole V. M., Ekosse G. I. E. Copper, nickel and zinc contamination in soils within the precincts of mining and landfilling environments // Int. J. Environ. Sci. Technol. 2012. 9. 485-494. 2. Важенин И. Г. Почва как активная система самоочищения от токсического воздействия тяжелых металлов // Химия в сельском хозяйстве. 1982. № 3. С. 3-5. 3. Ускоренное формирование противоэрозионных травостоев на техногенно нарушенных территориях: Заполярье / Л. А. Иванова [и др.] // Вестник МГТУ. 2010. Т. 13, № 4/2. С. 977-983. 4. Иванова Л. А., Котельников В. В., Быкова А. Е. Физико-химическая трансформация минерала вермикулита в субстрат для выращивания растений // Вестник МГТУ. 2006. Т. 9, № 5. С. 883-889. 5. Nizhegorodov А. I. Theory and practical use of modular-pouring electric furnaces for firing vermiculite // Refractories and Industrial Ceramics. 2015. Vol. 56, Nо. 4. Р. 361-365. 6. Нижегородов А. И. Опыт эксплуатации электрических модульно-спусковых печей различных модификаций для обжига вермикулитовых концентратов // Огнеупоры и техническая керамика. 2014. № 9. С. 27-34. 7. Бобров Б. С., Горбатый Ю. Е., Эпельбаум М. Б. Рентгенографические исследования изменений фазового состава вермикулита при нагревании // Вермикулит. М.: Стройиздат, 1965. С. 13-24.
Сведения об авторах
Мосендз Ирина Александровна — аспирант, младший научный сотрудник лаборатории минерального сырья и силикатного синтеза Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева КНЦ РАН E-mail : mosendz@chemy. kolasc.net. ru
Кременецкая Ирина Петровна — кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории минерального сырья и силикатного синтеза Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева КНЦ РАН E-mail : kremen@chemy. kolasc.net. ru
Иванова Любовь Андреевна — доктор биологических наук, заведующий научно-производственным отделом цветоводства и озеленения Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н. А. Аврорина КНЦ РАН E-mail: ivanova_la@inbox.ru
Author Affiliation
Irina A. Mosendz — Post-graduate Student, Junior Researcher of Laboratory of Mineral Raw Materials and Silicate Synthesis of the I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS E-mail: mosendz@chemy.kolasc.net.ru
Irina P. Kremenetskaya — PhD (Engineering), Senior Researcher of Laboratory of Mineral Raw Materials and Silicate Synthesis of the I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS E-mail: kremen@chemy.kolasc.net.ru
Liubov A. Ivanova — Dr. Sci. (Biology), Head of Research and Production Department of Floriculture and Gardening of the N. A. Avrorin Polar-Alpine Botanical Garden and Institute of the KSC of the RAS E-mail: ivanova_la@inbox.ru
Библиографическое описание статьи
Мосендз, И. А. Получение агровермикулита с применением электрической модульно-спусковой печи / И. А. Мосендз, И. П. Кременецкая, Л. А. Иванова // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2017. — № 2 (9). — С. 55-60.
Reference
Mosendz Irina A., Kremenetskaya Irina P., Ivanova Liubov A. Obtaining of Agrovermiculite Using the Modular-Pouring Electric Furnace. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2017, vol. 2 (9), pp. 55-60. (In Russ.).
