ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ ОЧИСТКИ ВОДЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОЙ КЕРАМИКИ

В настоящее время к современным строительным материалом и, особенно стеновым изделиям, наряду с механической прочностью предъявляются высокие требования по теплоизоляционным свойствам. Они обеспечиваются формированием структуры с заданной пористостью или с технологическими пустотами, что позволяет значительно снизить затраты на сырье, электроэнергию, газ. Это повышает их широкое использование, конкурентную способность и, соответственно, высокий потребительский спрос.

Для получения пористой керамики широко используются природные сырьевые материалы с собственной высокой пористостью: природные- диатомит, трепел; вспученные- перлит и вермикулит [1]. Кроме того, эффективным считается введение в исходную массу, а затем последующее удаление с помощью различных процессов добавок, оставляющих поры в керамическом черепке; вспучивание массы в ходе термической обработки или образование пузырьков газа в ее расплаве; с помощью введения газа механическим путем; вовлечение в керамический шликер пузырьков воздуха с последующим закреплением стенок при сушке и обжиге [2].

Одним из распространенных способов поризации является использование в массе материалов, которые в процессе обжига разлагаются с выделением газа. К таким материалам относятся карбонатсодержащие породы или техногенные материалы с высоким содержанием оксидов кальция и магния. Карбонатсодержащие отходы в большом количестве образуются при известковании воды на различных производствах, в частности тепловых, атомных станциях, шахтные воды, илистые отходы химических производств и т. д. Они характеризуются необходимым постоянством состава и содержат значительнее количество кальцийсодержащих компонентов в виде СаО (табл. 1). Образующиеся в огромном количестве, являются серьезной проблемой в цикле работы этих производств, загрязняют окружающую среду, требуют строительства отстойников большой площади [3].

Таблица 1 Химические составы отходов

Как видно из данных таблицы 1, в составе отходов преобладающим оксидом является СаО. С учетом высоких значений потерь при прокаливании (ппп) можно заключить, что он содержится в виде карбоната кальция. Для подтверждения были проведены термографические и рентгенофазовые исследования отходов Новочеркасской ГРЭС, ОАО «Невинномысский азот», очистки шахтных вод и для сравнения природного карбонатсодержащего сырья – мела Тарасовского месторождения.

Результаты термографических исследований показали, что в отходах химводоочистки (рисунок 1) при термообработке наблюдаются экзотермические эффекты при температурах 4200С, в отличие от природного мела. Наличие этого максимума свидетельствует о присутствии в них при температурах до 4000С арагонита. Все исследуемые отходы и мел имеют интенсивный эндотермический максимум при температурах 850, 900, 920, 9500С, которые, как известно [4], для карбонатных пород в этой области температур соответствует процессу декарбонизации СаСО3. Следует отметить, что во всех отходах эта температура ниже, чем при декарбонизации мела, что может свидетельствовать о дефектности их структур и, следовательно, более высокой реакционной способности.

Полученные результаты убедительно подтверждаются исследованиями фазового состава мела и отходов методом РФА. Как видно из рисунка 2, на рентгенограммах наблюдаются дифракционные максимумы, относящиеся к кальциту (0,386; 0,302; 0,250; 0,229; 0,210; 0,191, 0,187 нм), а также для отходов химводоочистки - арагониту (кривая 2,3), более реакционноспособной формы кальцита с межплоскостными расстояниями (0,340, 0,327, 0,270 нм).

Кроме того, специальными токсиколого-гигиеническими исследованиями, проведенными в соответствии с требованиями санитарных правил установлено, что данные отходы не являются токсичными и не представляют радиационной опасности (количество естественных радионуклеидов не превышает 370 Бк/кг), поэтому не имеют ограничений в этом отношении для использования в качестве сырьевого материала керамических масс.

Для исследований в качестве глинистого компонента применяли местные глины: тугоплавкую глину Владимировского месторождения (ВКН-2) и легкоплавкую глину месторождения «Каменный брод». Для установления максимально возможного содержания отхода для обеспечения высокой пористости количество основных компонентов массы варьировали следующим образом, % по массе: глина -20, ОХВО - 40…50. Кроме того, для повышения прочности черепка в качестве минерализующей добавки вводили шлак ГРЭС в количестве от 30до 40% [5].

Массу готовили пластическим способом: глинистое сырье измельчали до прохода через сито № 1, отходы до прохода через сито № 05, смешивали и увлажняли до формовочной влажности. Массу вылеживали в течение 24 часов и формовали полнотелые кирпичики размером 60х25х10 мм и кубики 35х35х35 мм. Сушку образцов осуществляли на воздухе в течение суток и в сушильном шкафу при температуре 105…1100С до относительной влажности не более 2%, обжиг проводили при температуре 950оС. Результаты исследований представлены в таблице 2.

Таблица 2 Свойства пористой керамики в зависимости от содержания отхода

Установлено, что максимальной пористостью обладают образцы с содержанием отхода в количестве 50%. Причем наблюдается значительное отличие свойств черепка, формирующихся на основе различных глин. Наибольшую пористость имеют образцы на основе легкоплавкой каменнобродской глины (63%). При таком же содержании образцы на основе владимировской глины имеют пористость только 41%. Отличие формирующихся структур можно проследить на графике (рисунок 3) по количеству образующихся пор в зависимости от удаления от поверхности образца, определенному с помощью микроскопа (увеличение в 40 раз).

Максимальное количество пор в образцах на основе обеих глин наблюдается на глубине образца, равном 3 мм. Однако количество пор в середине образца (9 мм), значительно больше на основе легкоплавкой каменнобродской глины. Полученные результаты свидетельствуют о влиянии значительного количества щелочных и щелочноземельных оксидов, содержащихся в каменнобродской глине, которые обеспечивают интенсифицикацию, в частности, процессов декарбонизации, при более низкой температуре, и формирование хорошо развитой по всему объему пористости.

Таким образом, на основе легкоплавкой глины был получен пористый материал со следующими свойствами: пористостью –63%, плотностью – 1000 кг/м3, прочностью на сжатие 7,4 МПа. Результаты исследований свидетельствуют о перспективности использования отходов химводоочистки в качестве сырьевого материала для производства теплоизоляционной керамики.

Список литературы

1.        Гузман И.Я. Некоторые принципы образования пористых керамических структур, свойства и применение / И.Я. Гузман// Стекло и керамика. – 2003. - №9. – с. 28-31.

2.        Химическая технология керамики. Учеб. пособие /Под ред. проф. И.Я. Гузмана. – М.: ООО РИФ«Стройматериалы», 2012. – 498 с.

3.        Яценко Н.Д. Техногенное сырье для производства пористой керамики/ Новые технологии рециклинга отходов производства и потребления: материалы докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Мн.: БГТУ, 2004.- С.379-381.

4.        Яценко Н.Д. Теплоизоляционные материалы на основе отходов тепловых электростанций/ Изв. Вузов.Сев.-Кавк.Регион.Техн.науки.-2005.–Спец.вып.:Проблемытеплоэнергетики.-С.66-67.

5.        Яценко Н.Д. Использование комплексного минерализатора в интенсификации спекания высококальциевых масс / Н.Д. Яценко Н.А. Вильбицкая, С.П. Голованова, А.П. Зубехин, М.С. Липкин // Изв. Вузов. Сев.-Кавк. Регион. Техн. науки.- 2002. - № 2. – С.93-96.