Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгородский университет кооперации, экономики и права
Старооскольский технологический институт им. А. А. Угарова (филиал) Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
Старый Оскол, Белгородская область, Россия
ГРНТИ 61.29 Химическое сырье
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
Традиционная технология получения силикат-глыбы является достаточно энергоёмкой и длительной во времени. Использование низкотемпературной плазмы в различных отраслях промышленности на сегодняшний день является перспективным направлением. В работе пред-ставлены результаты исследований влияния температуры термообработки таблетированной шихты на её фазовый состав, а также синтеза силикат-глыбы с использованием плазменной струи. Проведённые исследования позволили установить закономерности плазменного синтеза силикат-глыбы с использованием плазменного нагрева.
синтез, силикат-глыба, плазменная струя, плазменный нагрев, шихта.
Жидкое стекло представляет собой общедоступный ресурс растворимого кремнезема, используемого при синтезе неорганических и кремнийорганических соединений, который не имеет природных аналогов [1–3]. Известны три способа производства жидкого стекла: сухой способ, мокрый способ и способ возгонки [3–4]. Однако современные технологии получения силикат-глыбы являются достаточно энергоёмкими, длительными во времени, требующими значительного количества дробильно-помольного оборудования [5–7]. Использование низкотемпературной плазмы позволило создать высокоэффективные, экологически чистые технологии синтеза минералов, получения защитно-декоративных покрытий на бетоне, силикатном кирпиче, пеностекле, изделиях из стекла и др. [8–14].
В работе представлены результаты исследований синтеза силикат-глыбы с использованием плазменной струи. Для синтеза силикат-глыбы использовали соду кальцинированную марки Б по ГОСТ 5100–85, поташ первого сорта по ГОСТ 10690–73 и кварцевый песок марки Б-100-1 по ГОСТ 22551–77. В качестве высокотемпературного источника использовали многофункциональный прибор Мультиплаз–2500.
Разработанная технология синтеза силикат-глыбы предусматривает следующие технологические операции:
Ранее проведенными исследованиями [15] доказано, что важным технологическим этапом является стадия таблетирования и последующая термообработка таблеток шихты. Таблетирование шихты связано с особенностями плазменного факела, истекающего из плазменной горелки со скоростью 150 м/с. В случае использования порошковой шихты, последняя будет выдуваться плазменной струёй из тигля и расслаиваться.
Количественный химический состав до и после плазменной обработки определяли рентгенофлуоресцентным методом анализа с использованием спектрометра APL 9900 «Thekmoscientific».
Таблетки шихты термообрабатывали при температурах 400 °С и 500 °С. После термообработки таблетки подвергали рентгенофазовому анализу. Фазовый состав термообработанных шихт определяли на дифрактометре ARLXTRA.
Рис. 1. Порошковая рентгеновская дифрактограмма натриевой шихты при 400 °С
Рис. 2. Порошковая рентгеновская дифрактограмма натриевой шихты при 500 °С
На рисунках 1 и 2 представлены фазовые составы шихт термообработанных при 400 °С и
500 °С с содержанием в пересчёте на силикат-глыбу 26 % Na2O и 74 % SiO2.
С увеличением температуры термообработки с 400 °С до 500 °С помимо пиков кварца и соды увеличивается интенсивность пиков NaHCO3, CHNaO2. Повышение прочности на сжатие с 0,8 МПа до 1,5 МПа связано с твердофазными реакциями с образованием пространственного каркаса.
На рисунках 3 и 4 представлен фазовый состав термообработанных шихт при температурах 400 °С и 500 °С с содержанием в пересчёте на силикат-глыбу 31 % K2O и 69 % SiO2.
С увеличением температуры термообработки с 400 °С до 500 °С помимо основных пиков SiO2 и K2CO3 увеличивается интенсивность пиков K4H2(CO3)3. Это также способствует образованию пространственного каркаса и увеличению прочности с 0,85 МПа до 1,6 МПа.
После термообработки таблеток шихт проводили синтез силикат-глыбы в керамических тиглях с использованием плазменной струи с температурой 5000 °С.
Рис. 3. Порошковая рентгеновская дифрактограмма калиевой шихты при 400 °С
Рис. 4. Порошковая рентгеновская дифрактограмма калиевой шихты при 500°С
а 
б 
в 
г 
Рис. 5. Силикат-глыба:
а – с 26 % Na2O; б – с 8 % Na2O и 24 % K2O; в – с 19 % Na2O и 8% K2O; г – с 31 % K2O
Как известно, высокие температуры плазменной струи приводят к диссоциации и испарению оксидов [16]. При высоких температурах происходит инконгруэнтное испарение оксидов. Так, в работе [17] рассчитаны величины суммарного давления паров ΣР(SiО2) и парциальные давления монооксида кремния Р(SiО) и молекулярного кислорода Р(О2) (атм) над диоксидом кремния.
Результаты исследований представлены в таблице 1, по сравнению с исходным химическим составом при плазменном синтезе силикат-глыбы расплав обогащался оксидом кремния и обеднялся оксидами калия и натрия за счёт процесса испарения.
Таблица 1
Химический состав синтезированной силикат-глыбы до и после плазменного синтеза
|
№ |
Na2O, % |
K2O, % |
SiO2, % |
|||
|
до |
после |
до |
после |
до |
после |
|
|
1 |
26,0 |
2,0 |
– |
– |
74,0 |
75,3 |
|
2 |
8,0 |
7,5 |
24,0 |
23,4 |
68,0 |
79,1 |
|
3 |
19,0 |
18,1 |
8,0 |
7,4 |
73,0 |
74,5 |
|
4 |
– |
– |
31,0 |
29,8 |
69,0 |
71,2 |
Традиционная технология получения силикат-глыбы предусматривает последовательные стадии образования силикатов, растворение тугоплавких компонентов, образование гетерогенного расплава и его гомогенизации. Синтез силикат-глыбы с использованием плазменной струи существенно отличается от данной технологии. На первой стадии происходит одновременное образование силикатов, растворение тугоплавких компонентов с образованием гетерогенного расплава, а на второй – гомогенизация расплава. Это сокращает время синтеза в 2,5–3 раза, уменьшает энергозатраты.
Проведённые исследования позволили установить закономерности плазменного синтеза силикат-глыбы с использованием плазменного нагрева.
1. Корнеев В.И., Данилов В.В. Раствори-мое и жидкое стекло. СПб.: Стройиздат, 1996. 216 c.
2. Куатбаев К.К., Пужанов Г.Т. Строи-тельные материалы на жидком стекле. Алма-Ата: Изд. Казахстан; 1968. 62 с.
3. Обзор рынка силикат-глыбы и жидкого стекла в СНГ [Электронный ресурс]. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader. URL: http://www.infomine.ru/files/catalog/176/file_176.pdf (дата обращения: 11.10.2017).
4. Виноградов Б.Н. Сырьевая база про-мышленности вяжущих веществ СССР. М.: Изд. Недра, 1971. 486 с.
5. Китайгородский И.И. Технология стек-ла. М.: Стройиздат, 1961. 564 с.
6. Пат. 2156222 Российская Федерация. МПКC 01B33/32. Способ получения «сили-кат-глыбы» / Дубинин Н.А., Дигонский С.В., Кравцов Е.Д., Тен В.В.; заявитель и патенто-обладатель ОАО МНПО «Полиметалл». - № 99104641/03, заявл. 04.03.1999, опубл. 20.09.2000. Бюл. № 26.
7. Пат. 2053970 Российская Федерация. МКИ С 03 С 6/02, С 03 В 1/02. Способ приго-товления стекольной шихты / Везенцев А.И.; заявитель и патентообладатель Научно-производственное предприятие «Силиколл». - № 92014433/33, заявл. 23.12.1992; опубл. 10.02.96, Бюл. № 4.
8. Федосов С.В., Акулова М.В., Щепоч-кина Ю.А. Стекловидное покрытие для бетона // Строительные материалы. 2000. № 8. С. 28.
9. Федосов С.В., Акулова М.В., Щепоч-кина Ю.А., Подлозный Э.Д., Науменко Н.Н. Плазменное оплавление строительных компо-зитов. М.: Изд. АСВ, Иваново: Изд. ИГАСУ, 2009. 228 с.
10. Пучка О.В., Вайсера С.С., Сергеев С.В. Плазмохимические методы получения покрытий на поверхности пеностекла // Бел-городского государственного технологиче-ского университета им. В.Г. Шухова. 2013. № 3. С. 147-150.
11. Пучка О.В., Минько Н.И., Степанова М.Н. Разработка неорганических декоратив-но-защитных покрытий для теплоизоляцион-ного пеностекла // Техника и технология си-ликатов. 2009. Т. 16. № 2. С. 9-10.
12. Бессмертный В.С., Минько Н.И., Дю-мина П.С., Соколова О.Н., Бахмутская О.Н., Симачев А.В. Получение лицевого кирпича методом плазменной обработки с использо-ванием сырья техногенных месторождений // Стекло и керамика. 2008. № 1. С. 17-19.
13. Бессмертный В.С., Бондаренко Н.И., Борисов И.Н., Бондаренко Д.О. Получение защитно-декоративных покрытий на стеновых строительных материалах методом плазмен-ного оплавления. Белгород: Изд. БГТУ, 2014. 104 с.
14. Здоренко Н.М., Ильина И.А., Бонда-ренко Н.И., Гащенко Э.О., Бондаренко Д.О., Изофатова Д.И. Защитно-декоративные по-крытия для стеновых строительных материа-лов автоклавного твердения // Международ-ный журнал экспериментального образования. 2015. № 9. С. 81-82.
15. Бондаренко Д.О., Бондаренко Н.И., Бессмертный В.С., Изофатова Д.И., Дюмина П.С., Волошко Н.И. Энергосбеергающая тех-нология получения силикат-глыбы для произ-водства жидкого стекла // Белгородского гос-ударственного технологического университе-та им. В.Г. Шухова. 2017. № 10. С. 111-115.
16. Куликов И.С. Термодинамика окси-дов: справочник. М.: Металлургия, 1984, 324 с.
17. Куликов И.С. Термическая диссоциа-ция соединений. М.: Металлургия, 1966. 250 с.
