Влияние термической обработки на гранулометрический и химический составы диатомита Камышловского месторождения при получении жидкостекольного вяжущего Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Оригинальная статья / Original article УДК 666.123

DOI: https://d0i.0rg/l 0.21285/2227-2917-2019-3-550-555

Влияние термической обработки на гранулометрический и химический составы диатомита Камышловского месторождения при получении жидкостекольного вяжущего

© О. И. Селезнёва3, С.С. Радаевь, А.А. Баранова0

а,ьТюменский индустриальный университет, г. Тюмень, Россия сАнгарский государственный технический университет, г. Ангарск, Россия

Резюме: В статье приведены данные исследований природного и термически обработанного диатомита Камышловского месторождения. Представлены результаты рентгенофазового и лазерного дифракционного гранулометрического анализов. Рентгенофазовый анализ природного и термически обработанного диатомита проводился на дифрактометре ДРОН-7 с CuKa-излучением (Л=1,54184 А), Ni-фильтром. Результаты обрабатывались с использованием программного комплекса PDWin 4.0, дифрактометрической базы данных PDF 4.0. Анализ гранулометрического состава проводился на лазерном приборе измерения размера частиц с блоком диспергирования в жидкости и с общим диапазоном измерений в 0,01-2100 мкм Fritsch Nano Tex. Термическая обработка диатомита приводит к уменьшению размера его частиц, по-видимому, за счет сгорания органических примесей, присутствующих в породе. При 600-700 °С происходит удаление химически связанной воды, входящей в состав глинистых минералов. Процесс дегидратации каолинита протекает с образованием метакаоли-нита. С учетом химических и минералогических особенностей диатомита Камышловского месторождения получено жидкое стекло методом гидротермального выщелачивания. Разработанные технологические параметры получения жидкого стекла включают в себя: вязкость по вискозиметру ВЗ-4 45-50 сек, температуру выдержки 90 °С в течение 4 ч. Применяется природный диатомит или предварительно прокаленный при температуре 700 °С. При обжиге диатомита происходит выгорание органических веществ и дополнительная активация кремнезема. Получаемый при этом силикатный модуль равен 2,5. Использование обожженного диатомита в качестве исходного компонента для получения вяжущего повышает его показатели. Предварительное прокаливание позволяет полностью освободиться от органических примесей, обязательно присутствующих в осадочных породах, что приводит к уменьшению размера частиц.

Ключевые слова: диатомит, жидкое стекло, метакаолинит, гидротермальное выщелачивание, гранулометрический состав

Информация о статье: Дата поступления 30 апреля 2019 г.; дата принятия к печати 03 июня 2019 г.; дата онлайн-размещения 30 сентября 2019 г.

Для цитирования: Селезнёва О.И., Радаев С.С., Баранова А.А. Влияние термической обработки на гранулометрический и химический составы диатомита Камышловского месторождения при получении жидкостекольного вяжущего. Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2019;9(3):550-555. DOI: 10.21285/2227-2917-2019-3-550-555.

The impact of thermal treatment on the granulometric and chemical composition of diatomite of the Kamyshlov field when obtaining a liquid-glass binder

Olga I. Selezneva, Sergey S. Radaev, Albina A. Baranova

Tyumen Industrial University, Tyumen, Russia Angarsk State Technical University, Angarsk, Russia

Abstract: The paper presents the data of studies into natural and heat-treated diatomite of the Kamyshlov field. The results of X-ray phase analysis and laser diffraction granulometric analysis are presented. The X-ray phase analysis of natural and heat-treated diatomite was carried out using a DRON-7 diffractome-ter with CuKa radiation (Л=1.54184 А) and a Ni filter. The results were processed using the PDWin 4.0 software package and the PDF 4.0 diffractometric database. Analysis of the granulometric composition was carried out using a Fritsch Nano Tec laser device, with the size of particles having a total range of 0.01-2100 ^m

Том 9 № 3 2019

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 550-555 Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 9 No. 3 2019 _pp. 550-555

ISSN 2227-2917

as measured using a liquid dispersion unit. The decrease in particle size as a result of thermal treatment of diatomite is presumably due to the combustion of organic impurities present in the rock. At 600-700 °C, chemically bound water, which forms part of clay minerals, is removed. The dehydration of kaolinite proceeds with the formation of metakaolinite. Considering the chemical and mineralogical characteristics of di-atomite of the Kamyshlov field, liquid glass was obtained by the hydrothermal leaching method. The developed technological parameters for the production of liquid glass include: viscosity as determined by the viscometer VZ-4 - 45-50 sec; curing temperature - 90 °C for 4 hours. Natural diatomite or diatomite pre-tempered at a temperature of 700 °C was used. When diatomite is burnt, organic substances burn out and silica is additionally activated. The obtained silica modulus is 2.5. Using burnt diatomite as a starting ingredient to obtain a binder improves its performance. Pre-tempering makes it possible to completely eliminate organic impurities necessarily present in sedimentary rocks, leading to a decrease in the size of particles.

Keywords: diatomite, silicate, metakaolinite, hydrothermal leaching, granulometric composition

Information about the article: Received April 30, 2019; accepted for publication June 03, 2019; available online September 30, 2019.

For citation: Selezneva O.I., Radaev S.S., Baranova A.A. The impact of thermal treatment on the granulometric and chemical composition of diatomite of the Kamyshlov field when obtaininga liquid-glass binder. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitelstvo. Nedvizhimost = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2019;9(3):550-555. (In Russ.) DOI: 10.21285/2227-2917-2019-3-550-555.

Введение

К настоящему времени существующие месторождения чистых кварцевых песков уже не в состоянии удовлетворить возросшие потребности в жидком стекле [1-4].

Поэтому особенный интерес в этом отношении представляет кремнеземистое сырье осадочных пород (диатомиты, опоки, трепелы и т.п.), широко распространенных в европейской части России и восточнее Урала вплоть до бассейна р. Оби.

Это сырье содержит в своем составе, как правило, более 40 % по массе кремнезема в форме опала и кристобаллита, которые способны растворяться в щелочных растворах с образованием жидкого стекла.

В работе [5] изучено формирование эмалевого силикатного покрытия, наносимого на стальное технологическое оборудование. О.Р. Лазуткина приходит к выводу, что диато-митовые породы - перспективное сырье для эмалировочного производства.

Целью работы было исследовать влияние термической обработки на гранулометрический и химический составы диатомита Ка-мышловского месторождения при получении жидкостекольного вяжущего.

Методы

В исследованиях использовался диатомит Камышловского месторождения, химический состав которого представлен в табл. 1. [6]

Таблица 1 Table 1

Химический состав диатомита Камышловского месторождения Chemical composition of diatomite Kamyshlovskoe deposits

Наименование SÍO2 общ. SiO2 аморф AI2O3 Fe203 TÍO2 К2О №2О SO3 П.п.п.

Содержание, % по 72,12 39,0 7,7 3,38 0,35 1,1 0,31 1,25 11,29

массе 3

Рентгенофазовый анализ природного и термически обработанного диатомита проводился на дифрактометре ДРОН-7 с CuKa - излучением Л=1,54184 A, Ni - фильтр. Результаты обрабатывались с использованием программного комплекса PDWin 4.0, дифрактометрической базы данных PDF 4.0.

Анализ гранулометрического состава проводился на лазерном приборе измерения

размера частиц с блоком диспергирования в жидкости и с общим диапазоном измерений в 0,01 - 2100 мкм Fritsch Nano Tex.

Результаты и их обсуждение Результаты рентгенофазового анализа диатомита природного и термически обработанного представлены на рис. 1 и 2 соответственно.

Том 9 № 3 2019 ISSN 2227-2917

Рис. 1. Рентгенограмма природного диатомита Fig. 1. X-ray of natural diatomite

Рис. 2. Рентгенограмма термически обработанного диатомита Fig. 2. X-ray of thermally treated diatomite

При 600-700 °С происходит удаление химически связанной воды, входящей в состав глинистых минералов. Процесс дегидратации каолинита (рис. 1) протекает с образованием метакаолинита (рис. 2)

AhOa • 2SiO2- 2H2O ^ AhOa • 2SiO2+ 2H2O

По данным В.С. Горшкова, остаток каолинита после дегидратации не вполне рентге-ноаморфен. Метакаолинит представлен в виде аморфного гало. Результаты анализа гранулометрического состава природного и термически обработанного диатомита представлены на рис. 3 и 4 соответственно и в табл. 2.

Сравнительный анализ результатов,

представленных на рис. 3 и 4 и в табл. 2, позволяет установить, что термическая обработка диатомита приводит к уменьшению размера его частиц, по-видимому, за счет сгорания органических примесей, присутствующих в породе.

С учетом химических и минералогических особенностей диатомита Камышловского месторождения получено жидкое стекло методом гидротермального выщелачивания. Разработанные технологические параметры получения жидкого стекла включают в себя: вязкость по вискозиметру ВЗ-4 45-50 с, температуру выдержки 90 °С в течение 4 ч.

ISSN 2227-2917

(print) ISSN 2500-154X _(online)_

Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate

Том 9 № 3 2019

с. 550-555 Vol. 9 No. 3 2019 pp. 550-555

Применяется природный диатомит или предварительно прокаленный при температуре 700 оС. При обжиге диатомита происходит выгорание органических веществ и дополнитель-

ная активация кремнезема. Получаемый при этом силикатный модуль равен 2,5.

Полученный раствор силикатов натрия может применяться в качестве вяжущего в композиционных материалах.

Рис. 3. Гранулометрический состав природного диатомита Fig. 3. Granulometric composition of natural diatomite

Таблица 2

Распределение частиц природного и термически обработанного диатомита по размерам

Table 2

_Particle size distribution of natural and thermally treated diatomite_

Диаметр частиц, d, мкм Содержание частиц, Q3(d), % по массе

природный диатомит термически обработанный диатомит

0,011 0,1 0,3

0,020 0,1 0,3

0,030 0,1 0,3

0,050 0,1 0,3

0,070 0,1 0,3

0,100 0,2 0,6

0,200 0,8 1,7

0,350 1,3 1,9

0,650 2,7 3,5

1,000 5,4 8,6

2,500 19,3 33,4

4,000 29,3 49,2

8,000 44,2 70,4

15,000 57,3 84,5

30,000 73,6 95,4

55,000 90,8 99,9

100,000 97,2 100,0

Том 9 № 3 2019 ISSN 2227-2917

Рис. 4. Гранулометрический состав термически обработанного диатомита Fig. 4. Granulometric composition of thermally treated diatomite

Выводы

Использование обожженного диатомита в качестве исходного компонента для получения вяжущего повышает его показатели [7-9]. Это можно объяснить тем, что при термической обработке глинистая часть диатомита обезвоживается, с образованием метакао-

линита, приобретая более плотную структуру, нежели природный диатомит, не подвергавшийся термообработке. Предварительное прокаливание позволяет полностью освободиться от органических примесей, которые обязательно присутствуют в осадочных породах, что приводит к уменьшению размера частиц.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Беляев В.С., Граник Ю.Г., Матросов Ю.А. Энергоэффективность и теплозащита зданий. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2012. 396 с.

2. Малявский Н.И. Щелочносиликатные утеплители. Свойства и химические основы производства // Российский химический журнал. 2003. Т. XLVII. № 4. С. 39-45. http://www.chem.msu.su/rus/jvho/2003-4/

3. Hans R., Dorit B., Jorg T. Structural evolution of sodium silicate solutions dried to amorphous solids // Journal of Non-Crystalline Solids. 2001. V. 293-295. P. 752-757.

4. Жмурова Т.М., Медведева С.А. Оценка состояния и перспективы развития промышленности нерудных строительных материалов России и Иркутской области // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2016. № 1 (16). С. 96-105.

5. Lazutkina O.R., Kazak A.K., Temereva A.A., Nedopolz S.O. Prospects of using diatomite material from the Sverdlovsk Region in enameling production // Glass and Ceram. 2006. V. 63. № 3-4. P. 97-98.

6. Астапов А.П., Боровский В.В., Воронин А.С., Файбусович Я.Э., Прозоров С.В.

Северо-Тюменская субпровинция кристобалит-опаловых пород - уникальная минерально-сырьевая база Западно-Сибирского промышленного комплекса [Электронный ресурс] // Вестник недропользователя ХМАО. 2004. № 14. URL: http://www.oilnews.ru/14-14/severo-tyumenskaya-subprovinciya-kristobalit-opalovyx-porod-unikalnaya-mineralno-syrevaya-baza-zapadno-sibirskogo-promyshlennogo-kompleksa/ (11.08.2019)

7. Радаев С.С., Селезнёва О.И., Рясная Н.З., Зимакова М.В. Строительные материалы на основе опаловых пород // Вестник ЮУрГУ. Строительство и архитектура. 2010. Вып. 10. С. 11-12.

8. Радаев С.С. Применение диатомитов в производстве строительных материалов // Приволжский научный журнал. 2011. № 2. С. 48-52.

9. Радаев С.С., Иванов К.С., Иванов Н.К. Применение опалового сырья в производстве строительных материалов. Переработка опаловых пород и производство строительных материалов на их основе.Saarbrucken, Deutschland: Lambert Academic Publishing, 2011. 148 с.

REFERENCES

1. Belyaev VS. Granik YuG, Matrosov YuA. Energy 2. Malyavskiy NI. Democratical insulation. Properties

efficiency and thermal protection of buildings. Mos- and chemical bases of production. Russian Chemi-

cow: Publishing house of the Association of con- cal Journal. 2003;XLVII(4):39-45. (In Russ.)

struction Universities, 2012; 396 p. (In Russ.) 3. Roggendorf H, Böschel D, Trempler J. Structural

ISSN 2227-2917 Том 9 № 3 2019 554 (print) Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость с. 550-555 554 ISSN 2500-154X Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate Vol. 9 No. 3 2019 _(online)_pp. 550-555_

evolution of sodium silicate solutions dried to amorphous solids. Journal of Non-Crystalline Solids. 2001 ;293-295:752-757. (In Russ.).

DOI: 10.1016/S0022-3093(01)00785-2

4. Zhmurova TM, Medvedeva SA. Condition evaluation and development perspectives of aggregates production in Russia and Irkutsk region. Izvestiya vuzov. Investitsii. Stroitelstvo. Nedvizhimost = Proceedings of Universities. Investment. Construction. Real estate. 2016;1(16):96-105. (In Russ.)

5. Lazutkina OR, Kazak AK, Temereva AA, Nedopolz SO. Prospects of using diatomite material from the Sverdlovsk Region in enameling production. Glass and Ceram. 2006;63(3-4): 97-98. (In Russ.)

6. Astapov AP, Borovsky VV, Voronin AS, Faibusovich YaE., Prozorov SV. North Tyumen subprovince of cristobalite-opal rocks - a unique mineral resource base of the West Siberian industrial complex. Bulletin of the subsoil user of KHMAO.

2004;14. Available at: http://www.oilnews.ru/14-14/severo-tyumenskaya-subprovinciya-kristobalit-opalovyx-porod-unikalnaya-mineralno-syrevaya-baza-zapadno-sibirskogo-promyshlennogo-kompleksa/ [Accessed 15th May 2019] (In Russ.)

7. Radaev SS, Selezneva OI, Ryasnaya NZ, Zimakova MV. Opaline rock-based building materials. Bulletin of YUrGU. Construction and architecture. 2010;10:11-12.(In Russ.)

8.Radaev SS, Ivanov KS, Selezneva OI, Ryasnaya NZ. Application of diatomites in the production of building materials. The Privolzhsky Scientific Journal. 2011;2:48-52.(In Russ.)

9. Radaev SS, Ivanov KS, Ivanov NK. The use of opal raw materials in the production of building materials. Processing of opal rocks and production of building materials on their basis. Saarbrucken, Deutschland: Lambert Academic Publ., 2011; 148p. (In Russ.)

Критерии авторства

Селезнёва О.И., Радаев С.С., Баранова А.А. имеют равные авторские права. Селезнёва О.И. несёт ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Сведения об авторах

Селезнёва Ольга Игоревна,

кандидат технических наук, доцент кафедры строительных материалов, Тюменский индустриальный университет, 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, Россия,

e-mail: sel_olga@mail.ru

Радаев Сергей Сергеевич,

кандидат технических наук, доцент кафедры строительных материалов, Тюменский индустриальный университет, 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, Россия,

e-mail: radaew@gmail.com Баранова Альбина Алексеевна,

кандидат технических наук, доцент кафедры промышленного и гражданского строительства, Ангарский государственный технический университет,

665835, г. Ангарск, ул. Чайковского, 60, Россия,

Se-mail: baranova2012aa@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5939-3334

Contribution

Selezneva O.I., Radaev S.S., Baranova A.A. have equal author's rights. Selezneva O.I. bears the responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article.

Information about the authors Olga I. Selezneva,

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Building Materials, Industrial University of Tyumen, 38 Volodarskogo St., Tyumen 625000, Russia, e-mail: sel_olga@mail.ru

Sergey S. Radaev,

Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Building Materials, Industrial University of Tyumen, 38 Volodarskogo St., Tyumen 625000, Russia, e-mail: radaew@gmail.com

Albina A. Baranova,

Cand. Sci. (Eng.),

Associate Professor of the Department of Industrial and Civil Engineering, Angarsk State Technical University, 60 Chaikovskogo St., Angarsk 665835, Russia, He-mail: baranova2012aa@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5939-3334

Том 9 № 3 2019 ISSN 2227-2917