CC BY
119
Геологический институт КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, Gantoris@rambler.ru Mazukhina Svetlana Ivanovna,
PhD (Chemistry), Institute of North Industrial Ecology Problems of the KSC of the RAS, Apatity, Russia,
Mazukhina@inep.ksc.ru
Drogobuzhskaya Svetlana Vital’evna,
PhD (Chemistry), Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, Drogo_sv@chemy.kolasc.net.ru Ivanov Stanislav Victorovich,
Institute of North Industrial Ecology Problems of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, Etostas@mail.ru Gudkov Anton Vyacheslavovich,
Geological Institute of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, Gantoris@rambler.ru
УДК 666.3:662.998
ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КРЕМНЕЗЕМСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
H. К. Манакова, О.В. Суворова
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева Кольского научного центра РАН Апатиты, Россия
Аннотация
Представлены результаты исследования использования кремнеземсодержащих отходов Кольского полуострова для получения теплоизоляционных гранулированного и блочного пеносиликатов. Установлена возможность получения волластонитсодержащей керамической матрицы и композиционных материалов на ее основе.
Ключевые слова:
микрокремнезем, керамическая матрица, гранулированный, блочный, теплоизоляционный, композиционный материал, пеносиликаты.
HEAT-INSULATING MATERIALS BASED ON MICROSILICA
N.K. Manakova, O.V. Suvorova
I. V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Kola Science Centre of the RAS, Apatity, Russia
Abstract
We present results of a study of the use of silica-containing waste on the Kola Peninsula for thermal insulation of granulated and block foam silicates. The possibility of obtaining vollstandige ceramic matrix and composite materials on its basis, has been established.
Keywords:
microsilica, ceramic matrix, granulated, block, heat-insulating, composite, foam silicates.
Горнопромышленный комплекс является крупнейшим фактором неблагоприятного воздействия на природу. В горнодобывающих районах на поверхность земли выносятся значительное количество горной массы, шахтных и рудничных вод, подземных газов и пыли, что нарушает сложившееся экологическое равновесие. Для его восстановления требуются значительные материальные затраты и длительное время. Одним из перспективных направлений современных исследований, которое позволяет решать проблемы полного использования ресурсов полезных ископаемых и защиты окружающей среды от загрязнения является вовлечение в переработку техногенных отходов с получением строительных материалов [1].
При комплексной переработке апатитонефелиновых и эвдиалитовых руд на глинозем и другие материалы в качестве побочного продукта образуется большой объем отходов, содержащих кремнезем. Постановка исследований, результаты которых представлены в данной работе, обусловлена необходимостью утилизации данного техногенного образования. Приоритетным направлением в современных научных исследованиях является разработка новых технологий получения качественных материалов на основе техногенных отходов промышленности, позволяющих не только снизить себестоимость продукции, но и сберечь природные ресурсы [2-6]. В связи с этим представляло несомненный интерес изучение возможности использования кремнеземсодержащих отходов при получении эффективных теплоизоляционных строительных материалов.
562
Для проведения исследований использовались:
1) Технологическая проба кремнеземсодержащего продукта, полученного при переработке апатитонефелиновых руд с опытной установки “Глинозем” (ОАО “Апатит”). Продукт представляет собой тонкодисперсный порошок светло-серого цвета, в основном состоящий из аморфного кремнезема. Удельная поверхность материала, измеренная методом воздухопроницаемости, составляет 23676 см2/г, насыпная плотность - 287 кг/м3.
2) Проба кремнеземсодержащего продукта, полученного при переработке эвдиалитовых руд и представляющего собой тонкодисперсный порошок серо-белого цвета с удельной поверхностью 17157 см2/г (после 2-часового измельчения в барабане), насыпной плотностью 523 кг/м3.
3) Отходы обогащения апатитонефелиновых руд с удельной поверхностью 4363 см2/г. Основным компонентом тонкодисперсных отходов является нефелин (55-65 мас. %).
4) Золошлаковая смесь Апатитской ТЭЦ с удельной поверхностью 4000 см2/г, насыпной плотностью 900 кг/м3.
5) Апатит-кальцитовые карбонатиты Ковдорского ГОКа с удельной поверхностью 2923 см2/г и хвосты обогащения апатитомагнетитовых руд рудника “Железный” (г. Ковдор) с удельной поверхностью 4012 см2/г.
Ранее в ОТСМ из отходов обогащения апатит-нефелиновых руд и стекла по одностадийной технологии разработан высокоэффективный пеностекольный материал, который может быть рекомендован для утепления помещений с повышенными требованиями к температурному и влажностному режимам: подвалов, саун, бань, бассейнов, каминов, дымоходов и т.п. [7]. Технические характеристики полученного материала: плотность 200410 кг/м3, теплопроводность 0.08-0.13 Вт/м2К, прочность до 1.9 МПа, водопоглощение до 3%. Сочетание свойств полученного материала позволяет быстро и самостоятельно утеплить любой объект личного хозяйства.
Основываясь на разработанных технологических подходах в рамках научных исследований по пеностеклу и используя технологию низкотемпературного синтеза стеклофазы, на основе микрокремнезема получен пористый зернистый материал, удовлетворяющий нормативным требованиям на материалы и изделия строительные теплоизоляционные (ГОСТ 16381-77). Коэффициент теплопроводности полученного материала
0.075-0.08 Вт/мК, плотность 0.15-0.24 г/см3. Для увеличения прочности гранул в качестве модифицирующих добавок применялись отходы апатитонефелиновых руд и золошлаковая смесь. Гранулированный пеноматериал может быть рекомендован для использования в качестве теплоизоляционных засыпок (утеплителя чердачных перекрытий, стен, кровли) [8].
Проведены исследования по изготовлению блочных теплоизоляционных материалов из микрокремнезема. Установлены оптимальные условия и определены составы для получения пеносиликатных материалов. Технические свойства материалов: плотность 0.3-0.5 г/см3, прочность до 5 МПа, теплопроводность 0.09-0.107 Вт/м2-К. Водопоглощение данных материалов выше, чем у пеностекла на основе отходов обогащения апатитонефелиновых руд, что затрудняет применение их для наружной теплоизоляции. Блочные пеноматериалы могут быть рекомендованы к использованию как при строительстве, так и при реконструкции промышленных и гражданских зданий для тепловой изоляции внутренних стен, кровли, чердачных перекрытий, полов.
В результате проведенных исследований установлена возможность синтеза керамической волластонитсодержащей матрицы на основе кремнеземсодержащего продукта переработки апатит-нефелиновых руд. Определены составы и установлены режимы обжига керамических масс. Оптимальным является состав, мас. %: микрокремнезем - 40, апатит-нефелиновые отходы - 30, хвосты обогащения апатитомагнетитовых руд - 30. Образцы показали высокую прочность на изгиб - 9.31 МПа (при температуре обжига 1100°С) и 32.65 МПа (при температуре обжига 1150°С), прочность на сжатие 55 МПа, водопоглощение 9.18% (температура обжига 1150°С). По полученным характеристикам материал соответствует требованиям ГОСТ 530-2007 «Кирпич и камни керамические. Технические условия» и ГОСТ 13996-93 «Плитки керамические фасадные и ковры из них. Технические условия». Морозостойкость материала, обожженного при температуре 1150°С, соответствует марке F50.
Введение в составы масс глины и глиноподобных отходов обогащения медно-никелевых руд приводит к улучшению спекаемости керамических масс и, соответственно, к улучшению технических характеристик образцов. Наблюдается увеличение прочности до 70 МПа, морозостойкости - до 50 циклов и снижение водопоглощения до значений, удовлетворяющих нормативным требованиям на кирпич и камни керамические.
На основе волластонитсодержащей силикатной матрицы и наполнителя из кремнеземсодержащего сырья получены композиционные материалы. Перспективными являются составы, мас. %: микрокремнезем 40-42.5, отходы обогащения руд 60-57.5, наполнитель 15-20 (сверх 100%) [9]. Увеличение количества пористого наполнителя в составе композита приводит к снижению его прочностных характеристик. Для высокопористых систем на основе микрокремнезема в результате преобладания в структуре материала открытых сообщающихся пор характерны повышенные значения водопоглощения. Улучшение технических свойств композитов возможно за счет оптимизации структуры и свойств наполнителя. С учетом того, что одним из важнейших факторов, определяющих свойства материала, является технологический режим получения, были проведены исследования зависимости технических характеристик гранулированного наполнителя от температуры и времени термообработки. Проведен дополнительный кратковременный обжиг гранул при более высоких температурах, приводящий к их поверхностному оплавлению, способствующему упрочнению и снижению водопоглощения образцов в результате изменения структуры. Повышение термообработки позволило в 2-3 раза увеличить прочность материала и в 2 раза - водоустойчивость. Кроме того, одним из самых эффективных методов придания водостойких свойств материалам, используемым при строительстве, является
563
гидрофобизация. После обработки пеносиликатов гидрофобизатором на основе органосилоксанов водопоглощение снизилось в 2 раза без ухудшения основных технических свойств.
Разработанные материалы из кремнеземсодержащего сырья Мурманской области представлены на рисунке.
а
б
в
Теплоизоляционные изделия на основе кремнеземсодержащего сырья:
а) гранулированный материал; б) блочный материал; в) композит с наполнителем из микрокремнезема
Таким образом, проведенные исследования показали возможность получения строительных теплоизоляционных материалов на основе кремнеземсодержащих отходов горнопромышленных предприятий Кольского полуострова.
Литература
1. Макаров В.Н. Экологические проблемы хранения и утилизации горнопромышленных отходов. Апатиты, 1998. 125 с.
2. Кудяков А.И., Радина Т.Н., Иванов М.Ю. Зернистый теплоизоляционный материал на основе жидкого стекла из микрокремнезема и золы-уноса // Строительные ведомости. 2006. № 2(32). С. 19-21.
3. Тихомирова И.Н., Скорина Т.В. Теплоизоляционные материалы на основе кремнеземсодержащего сырья // Строительные материалы. 2008. № 10. С. 58-60.
4. Кетов А.А. Получение строительных материалов из гидратированных полисиликатов // Строительные материалы. 2012. № 11. С. 22-24.
5. Лотов В.А. Перспективные теплоизоляционные материалы с жесткой структурой // Строительные материалы. 2004. № 11. С. 8-9.
6. Кудяков А.И., Иванов М.Ю. Зернистый теплоизоляционный материал на основе модифицированного жидкого стекла из микрокремнезема // Строительные материалы. 2004. № 11. С. 12.
7. Пат. 2246457 Рос. Федеарция, МПК7 C03C11/00. Шихта для получения пеностекольного облицовочного материала / Калинников В.Т., Макаров В.Н., Суворова О.В., Макаров Д.В., Кулькова Н.М.; Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН. № 2003118339/03; заявл. 17.06.2003; опубл. 20.02.2005, Бюл. № 5.
8. Манакова Н.К. Суворова О.В. Теплоизоляционный материал на основе кремнеземсодержащих отходов переработки рудного сырья Кольского полуострова // ЖПХ. 2012. Т. 85, № 11. С. 1741-1745.
9. Суворова О.В., Мотина А.В., Манакова Н.К. Теплоизоляционные материалы из кремнеземсодержащего сырья // Вестник МГТУ. Т. 18, № 1. 2015. С. 149-155.
Сведения об авторах
Манакова Надежда Кимовна,
к.т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, manakova@chemy.kolasc.net.ru Суворова Ольга Васильевна,
к.т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, suvorova@chemy.kolasc.net.ru
Manakova Nadezhda Kimovna,
PhD (Engineering), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, manakova@chemy.kolasc.net.ru Suvorova Olga Vasilievna,
PhD (Engineering), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, suvorova@chemy.kolasc.net.ru
564
