Спросить
Войти
Категория: Нанотехнологии

ЖЕЛЕЗООКСИДНЫЙ ПИГМЕНТ ИЗ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ДЛЯ СИЛИКАТНОГО КИРПИЧА

Автор: Федосеева Е.Н.

УДК 661.872.222.3:666.291.1

Е.Н. ФЕДОСЕЕВА, канд. хим. наук, А.Д. ЗОРИН, д-р хим. наук,

В.Ф. ЗАНОЗИНА, канд. хим. наук, Л.Е. САМСОНОВА, М.Л. МАРКОВА, Н.М. ГОРЯЧЕВА, инженеры, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Железооксидный пигмент

из отходов металлургических производств

для силикатного кирпича*

Минеральные пигменты на основе оксидов железа исторически показали свою надежность по показателям долговечности и экологической безопасности. Для производства пигмента мирового уровня качества необходимо использование современных технологий и оборудования и высококачественного сырья. Более дешевые пигменты могут производиться из местного сырья, в том числе вторичного. Приемлемое качество продукции в данном случае может быть обеспечено созданием научно обоснованной технологии, разработанной с учетом местных условий.

Целью настоящего исследования явился выбор подходящих по составу железосодержащих промышленных отходов Нижегородской области и изучение возможности получения из них по общей технологической схеме железооксидных пигментов для использования в строительной индустрии, в частности для окрашивания силикатного кирпича.

Методика проведения эксперимента

Определение компонентного состава отхода производили методами атомно-абсорбционной спектроскопии (спектрофотометр «Шимадзу» АА 7000) и капиллярного электрофореза (Капель 103РТ Люмэкс). Для установления степени полидисперсности и размера частиц использован ряд методик: ситовый анализ по методу определения остатка на сите после сухого просеивания, седиментационный анализ в водной среде с использованием торсионных весов. Для определения формы частиц в отходе и пигменте получены их изображения с помощью электронного микроскопа JEOL JSM-6490 (предельное разрешение по паспорту 2 нм). По полученным изображениям с помощью графической программы отображения и анализа данных сканирующей зонной микроскопии Gwyddion (свободное распространение) проводили дисперсионный анализ наиболее мелких частиц.

При проведении экспериментов силикатный кирпич, окрашенный железооксидным пигментом, изготовлялся в заводских условиях. Пигмент в сухом виде вводили в предварительно приготовленную силикатную массу. Смешивание силикатной массы и пигмента производили в стержневом гомогенизаторе с добавлением небольшого количества воды (до увлажнения).

Предел прочности при изгибе и сжатии кирпича силикатного утолщенного лицевого, окрашенного определяли в соответствии с ГОСТ 379—95 «Кирпич и камни силикатные. Технические условия».

Водную вытяжку из измельченного силикатного кирпича получали при перемешивании крошки в дистиллированной воде в течение 60 мин при соотношении кирпич:вода=1:5 с последующим фильтрованием.

Результаты исследования

В металлургическом производстве образуется значительное количество отходов в виде пыли с различным содержанием железа в форме оксидов, высокой степени дисперсности, что характерно для железооксидных пигментов. Этот отход, относящийся преимущественно к 4-му классу опасности, складируется на временных площадках или вывозится на полигон для захоронения. Известно, что железосодержащие отходы находят применение в качестве возобновляемого источника сырья при производстве пигментов [1, 2]. Создание научно обоснованной технологии переработки конкретного

Таблица 1

Компоненты пыли металлургического производства Содержание, мас. %

Вода (0—6)±0,3*

Цинк (10,1 — 12)±2,4

Хром (0,1-0,11)±0,03

Марганец (0-1,5)±0,15

Медь (0,16-0,2)±0,02

Свинец (0,26-1,1)±0,2

Никель (0,02-0,05)±0,01

Железо (25-32,7)±2,5

Кальций (6,6-10)±1

Магний (1,1-14,6)±1,5

Натрий (0,8-1,2)±0,1

Калий (0-1)±0,1

Кремний (2,1-3,5)±0,2

Алюминий (0,3-1,6)±0,2

Гидроксид-ионы 0,45±0,07

Нитрат-ионы (водорастворимые) 0,003±0,0009

Хлорид-ионы (водорастворимые) (1,04—11)±1,1

Сульфат-ионы (водорастворимые) (0,1-1,9)±0,02

рН водной вытяжки (соотношение пигмент:вода=1:5) 10

Кислород 12

* Допустимый интервал концентраций указан для большего содержания определяемого компонента.

* Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, государственный контракт от 19 марта 2013 г. № 14.515.11.0039. Шифр 2013-1.5-14-515-0035-038.

научно-технический и производственный журнал

сентябрь 2013

21

Рис. 1. Фракционный состав исходного отхода - пыли металлургического производства (1) и пигмента железоокисного на его основе (2); га - массовая доля фракции, %, в зависимости от размера частиц, представленного в виде десятичного логарифма от размера ячейки сита (г), мкм

Рис. 2. Дифференциальные кривые распределения частиц по размерам по данным седиментационного анализа исходного отхода - пыли металлургического производства (1) и пигмента на его основе (2)

вида отхода позволяет сделать данный процесс рентабельным.

Пыли металлургических предприятий по химическому и гранулометрическому составу могут изменяться в широких пределах. Чем выше содержание Fe2Oз в отходе, тем проще может быть технология его переработки в пигментные материалы и выше их качество. Исследованиями установлено, что пыль, образующаяся в процессе выплавки стали электродуговым способом, отличается практически постоянным составом с содержанием оксида железа (III) порядка 42—45%. Этот же факт отмечается и в [3]. Такая пыль представляет собой порошок темно-коричневого цвета влажностью 0,1—1%.

В работе [4] на основании экспериментальных исследований природных соединений сделан вывод, что наиболее важные особенности пигментных руд обусловлены дисперсностью, преимущественно глобулярной морфологией индивидуальных частиц и низкой степенью кристалличности слагающих руды оксигид-роксидных фаз. Увеличение размеров и степени кристаллического совершенства данных фаз ведет к превращению ценного пигментного сырья в рядовые буроже-лезняковые руды.

Для установления возможности переработки пыли металлургических производств Нижегородской области

10к¥ БООцт 10 45 ВЕС

Рис. 3. Микрофотографии исходного отхода ■ пигмента на его основе (а, б)

МЕЖ Шш

ПЙА1 £ &>:; £№^¿4 * ■ „ V&

10к V * 4

пыли металлургического производства (в, г) и

в пигментную продукцию исследовали следующие характеристики: количественный химический состав, гранулометрический состав и дисперсный состав пигмента после операции размола пыли.

Из представленного в табл. 1 компонентного состава исследуемого отхода видно, что содержание железа в нем составляет -25—33% (в пересчете на Fe2O3 ~46%). Наряду с оксидом железа в пыли присутствуют оксиды цинка, кремния, кальция, марганца, натрия, калия, в небольшом количестве — оксид свинца. Оксид железа является основным компонентом в составе пыли. Последняя, таким образом, может быть пригодна в качестве сырья для переработки в пигмент.

Дисперсный состав пылей металлургических производств также может варьировать. Наличие большого количества крупнодисперсных частиц в пигменте неприемлемо, достаточно высокая полидисперсность отходов также ухудшает качество пигментов и ограничивает возможность их применения.

Ситовый анализ показал наличие значительного содержания крупных частиц или агломератов частиц в исходном веществе (рис. 1). Вклад фракции с размером составляющих >25 мм достигает ~40 мас. %. Вид кривой распределения частиц по фракциям бимодальный с большой долей частиц диаметром 0,16—0,65 мм.

Поэтому в технологическую схему переработки железосодержащего отхода необходимо введение операции помола. Измельчение пыли проводили в шаровой мельнице. Эффективность помола поверяли теми же средствами.

Из результатов ситового анализа пигмента (рис. 1) видно, что при помоле исследуемого отхода происходит интенсивное измельчение крупных частиц и агломератов с полным исчезновением крупных частиц. Кривая распределения фракций по размерам становится унимодальной с максимумом в той же области 0,16—0,65 мм. Отсев частиц с размером более 1 мм составляет ~8%.

Характер распределения частиц, составляющих фракцию <100 мкм, определяли методом седиментации. Анализ представленных на рис. 2 дифференциальных кривых распределения частиц по размерам показывает, что фракционный состав пигмента более однороден — кривая распределения унимодальна с узким максимумом. Наивероятнейший ра104

102
100
10-2
10-8

-1—гннгптт

п-1—гттттп

Т-1—|~|~ГГТГ

10-7
10-6
10-5

Рис. 4. Среднечисловое распределение частиц по размерам для пигмента на основе пыли металлургического производства. Рассчитано в приближении среднего радиуса вписанного диска

104
102
100
10Я , м

Рис. 5. Среднечисловое распределение частиц по размерам для отхода - пыли металлургического производства. Рассчитано в приближении среднего радиуса вписанного диска

диус частиц пигмента составляет 10—12 мкм. Частицы такого размера относятся к среднедисперсным, образующим в дисперсионной среде тонкие устойчивые взвеси. В исходном сырье вклад частиц такого размера седи-ментационным способом не определяется, что также свидетельствует об эффективности помола.

Качество пигмента также можно оценить по форме составляющих частиц. Как было показано в [4], наиболее подходящая форма сферическая. Как исходному отходу, так и пигменту на его основе присуща в основном правильная сферическая форма частиц (рис. 3). Анализ изображений показал, что наиболее мелкие составляющие при помоле не претерпевают существенных изменений ни по размеру, ни по форме.

На рис. 4, 5 видно, что средний размер частиц мелкодисперсной фракции, не определяемый седимента-ционным анализом, находится в пределах 0,2—2 мкм.

Полученный из железосодержащей пыли пигмент использовали для окрашивания экспериментальных образцов кирпича. Известно, что введение железооксид-ных пигментов в количестве до 7—10% не ухудшает основных эксплуатационных свойств готовых строительных материалов. Они позволяют производить

как поверхностное, так и объемное окрашивание [5]. В сырьевую смесь водили 2—3, 5—6 и 8 мас. % пигмента в расчете на сухую смесь. Цвет готового кирпича при увеличении содержания пигмента изменялся от светло-коричневого до серо-сиреневого (рис. 6).

Введение 2—5% пигмента в сухую силикатную смесь можно считать оптимальным. Дальнейшее увеличение концентрации пигмента нерационально по ряду признаков: оттенок изделий практически не изменяется, но при содержании пигмента ~8 мас. % заметно увеличивается масса единицы готовой продукции, что технологически нежелательно.

Ухудшаются и физико-химические характеристики готовой продукции. Предел прочности при изгибе для кирпича с добавлением 8% пигмента составил в среднем 2,06 МПа. Такое значение прочности соответствует марке М100.

В табл. 2 представлены физико-химические характеристики силикатного кирпича, отличающиеся содержанием железооксидного пигмента из пыли металлургического производства.

Из данных таблицы видно, что прочностные характеристики кирпича соответствуют марке М200. В средТаблица 2

Содержание Размер, мм Масса, кг Плотность, кг/м3 Нагрузка, кН Предел прочности, МПа, при

пигмента, % сжатии изгибе

250x120x87 4,665 1787 13,03 - 4,3
250x120x87 4,675 1791 11,36 - 3,75
250x120x87 4,765 1826 9,69 - 3,2
250x120x87 4,815 1845 10,35 - 3,42
2-3 250x120x87 4,875 1868 10,69 - 3,53
122x120 - - 280,5 23,38 119x120 - - 260,1 21,86 102x120 - - 252,96 24,8 122x120 - - 240,72 19,73 120x120 335,58 27,97 250x120x88 4,835 1831 13,03 - 4,21
250x120x88 5,055 1915 11,36 - 3,67
250x120x89 5,095 1908 9,69 - 3,07
250x120x88 4,98 1886 10,35 - 3,34
5-6 250x120x89 5,025 1882 10,69 - 3,37
122x120 - - 292,74 20 122x120 - - 352,92 24,11 117x120 - - 396,78 28,26 111x120 - - 300,9 22,59 123x120 340,68 23,08 ¡■Л ®

научно-технический и производственный журнал

сентябрь 2013

23

Компонент Содержание, мг/л

Цинк 0,01

Хром 0,05

Марганец 0,01

Свинец 0,1

Никель 0,03

Железо <0,2

Магний 0,5

Хлорид-ионы 250

Нитрат-ионы 1,5

Сульфат-ионы 25

Таблица 3 — содержанием основного компонента Fe2Oз, достигающим 42—45 мас. %;

— гранулометрическим составом, отвечающим повышенному (до 60%) содержанию среднедисперсных частиц с наивероятнейшим размером 10—12 мкм;

— хорошей окрашивающей способностью при добавлении в силикатный кирпич в количестве 2—5 мас. % без снижения прочностных свойств. Данные результаты позволили начать разработку

схемы технологического процесса изготовления пигмента из вторичного сырья.

Список литературы

1. Краснобай Н.Г., Лейдерман Л.П., Кожевников А.Ф. Производство железоокисных пигментов для строительства // Строительные материалы. 2001. № 8. С. 19-20.
2. Мачикина Т.А., Богданов В.И., Торгашев П.Д. Получение красного железоокисного пигмента из магниевых колчедановых огарков // Известия вузов. Химия и химическая технология. 1974. № 6. С. 865-869.
3. Пугин К.Г., Юшков В.С. Рециклинг мелкодисперсных железосодержащих отходов черной металлургии // Материалы VII Международной конференции «Сотрудничество для решения проблемы отходов». Харьков. 2010. С. 55-57.
4. Лютоев В.П., Кочергин А.В., Лысюк А.Ю. и др. Фазовый состав и структурное состояние природных железооксидных пигментов // Доклады Академии наук. 2009. Т. 425. № 3. С. 372-377.
5. Арютина В.П., Камалова З.А., Дьячков И.В. и др. Природные пигменты разного типа из местного сырья // Известия КГАСА. 2004. № 1. С. 51-53.

Рис. 6. Кирпич силикатный белый (слева), окрашенный добавлением 5% железооксидного пигмента (в центре); 2-3% пигмента (справа)

нем предел прочности при изгибе кирпича силикатного утолщенного лицевого составил 3,53 МПа, при сжатии - 23,6 МПа.

Наличие в компонентном составе железосодержащей пыли водорастворимых компонентов (хлорид-, нитрат- и сульфат-ионов) обусловило необходимость изучения состава водной вытяжки из окрашенного кирпича. Содержание компонентов в водном экстракте из силикатного кирпича с добавлением 5% изучаемого пигмента представлено в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что содержание таких компонентов, как железо, марганец, цинк, хром, сульфат- и нитрат-ионы, в водной вытяжке из окрашенного кирпича не превышает тысячных и десятитысячных долей процента. Содержание хлорид-ионов 0,025%.

Экспериментально выявленная оптимальная концентрация пигмента в составе сухой смеси <5-6% согласуется с данными известных торговых марок пигментов высокого качества, отличающихся значительно более высоким содержанием основного вещества Fe2O3. Можно предположить, что хорошая окрашивающая способность пигмента, полученного из отходов металлургического производства, связана с особенностями строения частиц пыли. Вероятно, зона, обогащенная оксидом железа, располагается вблизи поверхности частиц, создавая структуру типа оболочкового (керново-го) пигмента.

Таким образом, экспериментальными исследованиями показано, что пигмент, полученный в результате размола пыли металлургического производства, характеризуется:

производственное предприятие

кем п леке

А железоокисные пигменты для окрашивания изделий из бетона, силикатного кирпича, пластмассы, асфальта, лакокраски

*. химические добавки для бетона

Прямые поставки из Германии и Китая

&ннмв. ООО ПП "Комплекс" ^

1 —» ив
СИЛИКАТНЫЙ КИРПИЧ ОКРАШИВАНИЕ ЖЕЛЕЗООКСИДНЫЙ ПИГМЕНТ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩАЯ ПЫЛЬ
Другие работы в данной теме:
Контакты
Обратная связь
support@uchimsya.com
Учимся
Общая информация
Разделы
Тесты