Научная статья на тему 'Возможность получения гипсового вяжущего из цитрогипса'

Возможность получения гипсового вяжущего из цитрогипса Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
150
35
Поделиться
Ключевые слова
ЦИТРОГИПС / ГИПСОВОЕ ВЯЖУЩЕЕ / МОРФОЛОГИЯ КРИСТАЛЛОВ СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ / CITROGYPS / PLASTER ASTRINGENT / MORPHOLOGY OF CRYSTALS OF CALCIUM SULFATE

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Нестерова Л.Л.

Подобран оптимальный технологический режим получения в автоклаве гипсового вяжущего из отхода пищевой промышленности цитрогипса, приведены его характеристики. Указан минеральный состав полученного сульфата кальция и морфологические особенности его кристаллов.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Нестерова Л.Л.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Possibility of receiving plaster knitting from a сitrogyps

It was chosen the best technology acquisition mode in an autoclave gypsum binder from the waste of food industry cytrogyps, given its characteristics. Also indicated mineral composition of the resulting calcium sulphate and morphological features of its crystals.

Текст научной работы на тему «Возможность получения гипсового вяжущего из цитрогипса»

ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

_2016 г. Выпуск 2 (41). С. 29-33_

УДК 691.53:636.087.25

ВОЗМОЖНОСТЬ ПОЛУЧЕНИЯ ГИПСОВОГО ВЯЖУЩЕГО ИЗ ЦИТРОГИПСА

Л. Л. Нестерова

Промышленные отходы различных производств занимают огромные площади и являются загрязнителями земной поверхности, что способствует ухудшению экологической обстановки в целом. Однако многие из отходов обладают рядом ценных свойств, которые можно и нужно использовать при дальнейшей переработке, особенно это актуально в производстве строительных материалов. Одним из таких отходов является цитрогипс - побочный продукт биохимического синтеза лимонной кислоты. В конце технологической цепочки свободная лимонная кислота переходит в раствор, а гипс, с примесями берлинской лазури, оксалатов кальция и др. удаляется в отвалы как ненужный продукт [1], который на 97 % состоит из ди-гидрата сульфата кальция и по этому показателю соответствует 1 сорту сырья для производства вяжущих согласно ГОСТа 4013-82.

Использование цитрогипса (основная его составляющая часть

Са804*2Н20) в качестве сырья для производства гипсовых вяжущих позволило бы экономить средства и одновременно решать проблемы освобождения занятой под отвалы территории от побочного продукта.

Производство гипсовых вяжущих и изделий отличается сравнительно несложной технологией, небольшими тепло- и энергозатратами: расход условного топлива на обжиг портландцемента в четыре раза превышает расход на строительный гипс. Гипсовые изделия отличаются огнестойкостью, гигиеничностью, звуко- и теплоизоляционной способностью, декоративностью. Эти свойства позволяют использовать гипсовые материалы для производства различных строительных деталей [2].

Гипсовые вяжущие, полученные из цитрогипса варкой при атмосферном давлении, отличались невысокой прочностью и замедленными сроками схватывания, что обусловлено высокой дисперсностью исходного сырья (цитрогипс кристаллизуется в процессе производства лимонной кислоты из раствора) и наличием примеси лимонной кислоты, которая является замедлителем схватывания. С целью повышения прочности гипсовых вяжущих на основе цитрогипса исследована возможность получения а-полугидрата в автоклаве под давлением, т. к. более благоприятные условия кристаллизации полу гидрата создаются при тепловой обработке гипсового камня паром [3-5].

Физико-химические процессы, протекающие при дегидратации гипса и кристаллизации полугидрата в паровой среде, т. е. при замедленной диффузии и пониженном содержании жидкой фазы, обеспечивают получение более качественного полугидрата и, соответственно, более прочного гипсового камня [6].

В работе [6] использованы модификаторы, которые приводили к замедлению роста наиболее активных граней и ограничению вероятности образования зародышей, т. е. к уменьшению количества образующихся кристаллов и приближению их формы к шарообразной. Создание условий для образования иглообразных кристаллов из любого вида гипсового сырья приводит к ухудшению свойств вяжущего, а крупных изометрических - позволяет получить высокую марку.

Целью исследования является получение гипсового вяжущего из цитрогипса, определение оптимальных технологических режимов его получения, определения свойств полученных материалов, а также объяснения этих свойств минералогическим составом и морфологическими особенностями полученных разновидностей сульфата кальция.

В нашей работе а-полугидрат из цитрогипса получали при следующих условиях. Для ав-токлавирования были приготовлены: 1) цитрогипс в виде порошка, то есть был насыпан на-

сыпью в жестяный поддон; 2) из порошка цитрогипса спрессованы при усилии 1,6 атм круглые таблетки весом около 15-20 г, диаметром 3 см и высотой 0,8-1,0 см. В автоклаве выдерживали 3 режима (таблица 1).

Таблица 1

Режим автоклавирования

Режим Давление, атм Температура Выдержка, час

1 2,4 120 7

2 4,2 140 3,5

3 8,0 160 2

При первом режиме, как и при третьем, в автоклав помещали только таблетки и выдерживали при соответствующих условиях. При втором режиме таблетки и порошок помещали в автоклав и выдерживали в течение 3,5 часов при температуре 140°С и давлении 4,2 атм.

Полученный при данной обработке материал был исследован в универсальном микроскопе N0-2 при увеличении 625х (окуляры 12,5х и объектив 50х), без анализатора и с анализатором, а также проведен рентгенофазовый анализ.

При первом режиме (давлении 2,4 атм, температуре 120°С и выдержке 7 часов) образуется в основном двуводный гипс в виде крупных неопределенной формы кристаллов, а также удлиненных иглоподобных кристаллов, иногда мозаичной структуры с очень низким дву-преломлением, ниже, чем у неавтоклавированного цитрогипса. Показатели преломления: N§=1,530, №=1,520.

a-CaSO4*0.5H2O образуется в незначительном количестве (около 5-7 %) в виде пятен и ромбовидных образований на двуводном гипсе.

При втором режиме автоклавирования (давлении 4,2 атм, температуре 140°С и выдержке 3,5 часа) в порошке и в таблетках наблюдается минерал со слабым двупреломлением: интерференционная окраска серая, бело-серая, реже с желтоватым оттенком в скрещенных нико-лях. Без анализатора эти кристаллы илеохраируют: от бесцветных (прозрачных) до светло-коричневых оттенков. Показатели преломления во всех случаях одинаковы и составляют ^=1,583, ^=1,559. Таким образом, изучаемая фаза представлена a-CaSO4*0,5H2O на 97 % и в порошке, и в таблетках, но по морфологии они отличаются.

В таблетках - это чаще призматические и реже таблитчатые кристаллы и, в основном, с оборванными неровными краями. Стороны призм кристаллов также неровные. Размер кристаллов от 20 до 70 мкм, и только около 7-10 % - меньше 20 мкм. Ширина призм 10-20 мкм. Соотношение сторон 1:2, 1:3, 1:4.

В порошке тот же а-полугидрат, но представлен в виде крупных размытых образований мозаичного строения и реже в виде удлиненных кристаллов с неровными краями. Сверху на поверхности таблетки такая же структура, как в порошке.

На расслоенных участках таблеток минерал имеет мелкомозаичную структуру с зернами в 4-8 мкм, а также редкие удлиненные формы.

Минералогический состав, определенный оптическими методами, подтверждается и рентгенофазовым анализом. Так, на дифрактограмме продуктов автоклавирования при давлении 2,4 атм (рис. 1) наблюдаем отражения, характерные для двуводного гипса CaS04*2H2O: 7,76; 4,35; 3,09А, а также отмечаем незначительное присутствие а-бассанита и ангидрита. При втором режиме (давление 4,2 атм) продуктом автоклавирования является а-полугидрат, что подтверждается отражениями на дифрактограмме: 6,07; 3,5; 3,03; 2,82; 1,85А.

На втором этапе работы были приготовлены таблетки при усилии 1,6-1,8 атм диаметром З см и высотой 0,5-1,2 см из цитрогипса, смешанного с ЛСТ (лигносульфонат технический) концентрацией 0,1; 0,2; 0,3 % в сухом виде. Взвешивали по 70 г цитрогипса и 0,07; 0,14; 0,21 г ЛСТ, соответственно, концентрациям. Таблетки автоклавировали при давлении 4,2 атм,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

температуре 140°С, выдержке 3,5 часа. Получен a-CaS04* 0,5Н20 - бассанит или технический гипс с такими же кристаллооптическими характеристиками, как и в цитрогипсе без добавок ЛСТ: удлиненные призматические кристаллы с неровными шероховатыми гранями и округлыми образованиями размером 2 мкм:

0,1 % ЛСТ - округлых образований около 30 %;

0,2 % ЛСТ - округлых образований около 10 %;

0,3 % ЛСТ - округлых образований около 40 %, а остальные - призматические минералы 15-30 мкм длиной и шириной 8-10 мкм.

Наиболее хорошо выкристаллизованы призматические кристаллы с добавкой 0,2 % ЛСТ, а в остальном - схожи со всеми добавками.

При третьем режиме автоклавирования цитрогипса с добавками и без добавок ЛСТ получается полугидрат (a-CaS04*0,5Н20) так же, как и при втором режиме в виде призматических кристаллов и образований неправильной формы мозаичной структуры. Однако при добавке ЛСТ 0,1 и 0,2 % вокруг призматических кристаллов (размером 4-6 мкм) образуется оболочка двуводного гипса. Данные таблетки имели более влажную консистенцию, чем таблетки без добавки и с добавкой 0,3 % ЛСТ после процесса автоклавирования.

Полученный в автоклаве полугидрат измельчали в ступке до прохождения через сито 0,5. Затем из порошка готовили пластичное тесто, которое заливали в формы: призмы 1x1x6 см. Через сутки образцы расформовывали и сушили при комнатной температуре до постоянной массы. Затем определяли прочность на сжатие и изгиб, результаты испытаний представлены в табл. 2.

Из полученных прочностных характеристик следует, что наиболее благоприятным режимом получения полугидрата из цитрогипса является режим автоклавирования при давлении 4,2 атм, температуре 140°С и выдержке 3,5 часа. При получении полугидрата при давлении 8 атм и температуре 160°С с выдержкой 2 часа прочность аналогичных составов значительно ниже. А при давлении 2,4 атм полугидрат из цитрогипса образуется в незначительном количестве (5-7%), поэтому и прочность самая низкая.

Оптимальное количество ЛСТ составляет 0,1 %, т. к. этот состав имеет наибольшую прочность на сжатие 9,8 МПа. Прочность на изгиб немного (около 2 %) у этого состава ниже, чем у полугидрата, полученного без добавки ЛСТ.

При всех трех режимах автоклавирования получается a-CaSO4*0,5H2O, но в разных количествах: при давлении 2,4 атм - около 5-7 %, при давлении 4,2 и 8 атм - до 98-99 %. Однако при давлении 8 атм и с добавками 0,1 и 0,2 % ЛСТ бассанит переходит в двуводный гипс, т. е. полуводный гипс покрыт оболочкой двуводного и в некоторых случаях наблюдаем только реликты бассанита в гипсе.

Выводы

Исследовано 3 режима автоклавирования получения высококачественного а-CaSO4*0,5H2O из цитрогипса:

при давлении 2.4 атм, температуре 120°С, выдержке 7 часов (1 -й режим);

при давлении 4,2 атм, температуре 140°С, выдержке 3,5 часов (2-й режим);

при давлении 8 атм, температуре 160оС, выдержке 2 часа (3-й режим).

Оптимальным режимом автоклавирования для получения а-бассанита является второй режим: прочность на сжатие составляет 8,2 без добавки ЛСТ и 9,8 МПа с добавкой 0,1 % ЛСТ.

Полученный а-полугидрат кальция при втором режиме автоклавирования с добавками 0,1-0,3 % ЛСТ имеет призматическую форму кристаллов с шероховатыми неровными гранями и размером 15-30 мкм, а также округлую форму размером 2 мм, что способствует увеличению прочности образцов. Показатели преломления а-полугидрата составляют: ^=1,583, ^=1,559 и основные отражения на дифрактограмме 6,07; 3,50; 3,03 А.

При увеличении давления до 8 атм с добавкой 0,1 и 0,2 % ЛСТ образовавшиеся кристаллы полугидрата покрываются оболочкой двуводного гипса, что приводит к значительному снижению прочности образцов.

Таблица 2

Результаты прочностных характеристик автоклавированного цитрогипса

№ Условия получения В/Т Фазовый состав Форма кристаллов Размер кри-стал-лов, Прочность, МПа,

мкм

Режим автокла-вирования Характер материала Добавки изгиб сжатие i

CaS04*2H2 0, CaS04. а- Ой- SO4*0,5H2 O

1 2,4 атм, 120°С, 7часов выдержки таблетки Б/д 0,5 Иглоподоб. Ромбовидные, мозаичные 40-80 12-20 0,34 0,5

2 4,2 атм, 140°С, 3,5 часа выдержки порошок Б/д 0,5 а- CaSO4*0,5 H2O Неправильные формы, мозаичные, удлин. 20-70 6,7 6,7

3 4,2 атм, 140°С, 3,5 часа выдержки, таблетки Б/д 0,5 а- CaSO4*0,5 H2O Призматические 20-70 8,1 8,2

4 4,2 атм, 140°С, 3,5 часа выдержки таблетки 0,1 %ЛС Т 0,5 а- CaSO4*0,5 H2O Призматич., Округлые 15-30, 2 8,0 9,8

5 4,2атм, 140°С, 3,5 часа выдержки таблетки 0,2 %ЛС Т 0,4 а- CaSO4*0,5 H2O Призматич., Округлые 15-30, 2 6,5 7,3

6 4,2 атм, 140°С, 3,5 часа выдержки таблетки 0,3 %ЛС Т 0,5 а- CaSO4*0,5 H2O Призматич., Округлые 15-30, 2 6,2 7,8

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7 8 атм, 160°С, выдержка 2ч таблетки Б/д 0,5 а- CaSO4*0,5 H2O Призматические 10-20 4,1 5,1

8 8 атм, 160°С, выдержка 2ч таблетки 0,1 %ЛС Т 0,4 0,5 а- CaSO4*0,5 H2O CaS04-2H20 Призматические в оболочке 4-6 2,3 1,2 2,9 1,1

9 8 атм, 160°С, выдержка 2ч таблетки 0,2 %ЛС Т 0,5 а- CaSO4*0,5 H2O CaS04-2H20 Призматические в оболочке 4-6 0,9 0,9

10 8 атм, 160°С, выдержка 2ч таблетки 0,2 %ЛС Т 0,5 а- CaSO4*0,5 H2O Неправ, формы, призматич. 20-80 3,0 4,9

Литература

1. Богданов, М. Ф. Экономическая эффективность и применение новых видов гипсовых вяжущих и изделий в строительстве [Текст] / М. Ф. Богданов. - М. - 1984.

2. Едаменко, А.С. О возможности использования техногенного сырья в производстве строительных материалов [Текст] / А. С. Едаменко, В. Г. Клименко // Технологии техно-сферной безопасности. - 2013. - № 1 (47).

3. Клыкова, Л. Я. Технология особо прочных гипсовых вяжущих : автореф. дис. ... канд. техн. наук [Текст] / Л. Я. Клыкова. - М. - 1981. - 24 с

4. Перистый, Л. Ф. Утилизация цитрогипса - отхода производства лимонной кислоты [Текст] / Л. Ф. Перистый, Г. В. Прохорова // Научные ведомости. - 2008. - № 3 (43). - с. 147-151.

5. Свергузова, С. В. Перспективные технологии переработки цитрогипса [Текст] / С. В. Свергузова, Г. И. Тарасова, Н. Ю. Бубнова // Экология и промышленность России. -1998. - № 8. - С. 20-24.

6. Чернышева, Н. В. Влияние условий обработки цитрогипса на состав получаемого гипсового вяжущего [Текст] / Н. В. Чернышева, А. В. Шашмуров, С. В. Свергузова // Строительные материалы. - 2010. - № 7. - С. 31-32.