Введение к работе
Актуальность работы. Кристаллические метасиликаты натрия являются востребованным крупнотоннажным продуктом неорганического синтеза многих промышленно развитых стран мира и широко используются в тех отраслях промышленности, где традиционно применяют жидкое натриевое стекло, поскольку они являются более удобным продуктом при хранении, транспортировке и эксплуатации.
Существующий способ производства кристаллогидратов метасиликата натрия, реализованный в промышленных масштабах, основан на их кристаллизации из растворов стандартного жидкого стекла, полученного растворением силикат-глыбы во вращающихся автоклавах, с добавлением гидроксида натрия. Такой способ производства характеризуется большими материальными и энергетическими затратами при производстве промежуточного продукта – жидкого стекла (сплавление высококачественного кремнеземсодержащего сырья с щелочным компонентом при высоких температурах, растворение во вращающихся автоклавах силикат-глыбы), вследствие чего конечный продукт имеет высокую себестоимость.
Увеличение темпов потребления кристаллогидратов метасиликата натрия неизбежно приводит к поиску более рациональных способов их получения. По нашему мнению, одним из таких способов производства является выделение кристаллогидратов метасиликата натрия из растворов жидких стекол, полученных гидротермальным методом, в свою очередь имеющим преимущества перед традиционным способом: низкую температуру силикатообразования, более простую схему производства, меньшую энергоемкость, достижение необходимого модуля в одну стадию, использование кремнеземсодержащего сырья более низкого качества, и т.д.
Таким кремнеземсодержащим сырьем для гидротермального синтеза кристаллогидратов метасиликата натрия могут служить диатомиты. По сравнению с другими породами осадочного происхождения (опоками и трепелами) диатомиты имеют стабильный химико-минералогический состав, что дает возможность прогнозировать свойства получаемых из них силикатов, а высокая дисперсность и пористость частиц диатомитов обуславливает их высокую реакционную способность.
В Российской Федерации крупнейшее месторождение диатомитов расположено в Ульяновской области. Несмотря на широкий спектр применения ввиду уникальных свойств диатомитов, в неорганическом синтезе Инзенский диатомит не используется, а ассортимент получаемой из него продукции достаточно узкий: теплоизоляционный диатомовый кирпич и диатомовые сорбенты.
В большинстве случаев использование диатомитов в получении кристаллогидратов метасиликата натрия становится неприемлемым ввиду наличия в сырье примесных компонентов, которые снижают выход готового продукта и делают производство нерентабельным.
Разработка технологии комплексной переработки диатомитов в кристаллогидраты метасиликата натрия перспективна ввиду высокого содержания в них кремнезема, доступности и достаточно низкой стоимости. Результатом станет возможное расширение сырьевой базы химической промышленности Российской Федерации за счет использования сырья, считавшегося ранее не пригодным. В этой связи, выполнение настоящей диссертационной работы представляется актуальным.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база на 2007 – 2010 год» (Программа 53) на кафедре технологии неорганических веществ и материалов ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».
Целью работы является разработка технологии кристаллогидратов метасиликата натрия из диатомита Инзенского месторождения.
Достижение поставленной цели предполагает:
-
Оценку качества Инзенского диатомита как сырья для получения кристаллогидратов метасиликата натрия.
-
Изучение структурных и фазовых превращений в Инзенском диатомите в процессе его переработки в кристаллогидраты метасиликата натрия.
-
Определение оптимальных условий переработки Инзенского диатомита в кристаллогидраты метасиликата натрия.
-
Разработка технологического процесса переработки Инзенского диатомита в кристаллические девяти- и пятиводный метасиликаты натрия.
Достоверность результатов работы базируется на большом объеме и воспроизводимости экспериментальных данных, подтверждается их согласованием с литературными данными, а также согласованием стандартных и современных физико-химических методов исследования.
Научную новизну диссертационной работы составляют следующие положения:
-
Результаты исследования процессов фазовых и структурных превращений диатомита в процессе его термической (выгорание органических примесей, фазовый переход кремнезема, аморфизация глинистых минералов) и щелочной обработки (выщелачивание аморфного кремнезема).
-
Определены оптимальные условия термической (t=520–550C, t=60 мин) и щелочной обработки Инзенского диатомита (соотношение прокаленный диатомит:гидроксид натрия=1:1; t=90C, t=90 мин, СNaOH=20%) для получения кристаллогидратов метасиликата натрия.
-
Определены условия кристаллизации метасиликатов натрия девятиводного (t<40C, CNa2SiO3=10–45%, M = 0,65–0,90) и пятиводного (t=60–70C, CNa2SiO3=53–58%, M = 0,80–0,90).
-
Установлена связь свойств диатомита Инзенского месторождения (химический и минеральный составы) с характеристиками получаемых силикатных растворов и кристаллогидратов метасиликата натрия (силикатный модуль, цвет, выход готового продукта).
Практическая значимость работы.
Из диатомита Инзенского месторождения синтезированы кристаллические девяти- и пятиводный метасиликаты натрия. Составлен материальный баланс переработки диатомита в кристаллогидраты метасиликата натрия и определены расходные коэффициенты. Полученный кристаллический метасиликат натрия пятиводный был исследован в качестве диспергатора и плавня в глинах Шеланговского и Ключищенского месторождений. Установлено, что использование кристаллического пятиводного метасиликата натрия в качестве связующего в силикатных покрытиях улучшает их технологические свойства. Представлены решения задачи по переработке и утилизации отходов производства кристаллогидратов метасиликата натрия. Разработана технология кристаллогидратов девяти- и пятиводного метасиликатов натрия из диатомита Инзенского месторождения.
На защиту выносятся:
- результаты поисковых исследований по определению оптимальных условий переработки диатомита Инзенского месторождения в кристаллогидраты метасиликата натрия;
- результаты исследований структурных и фазовых превращений диатомита Инзенского месторождения в процессе переработки в кристаллогидраты метасиликата натрия;
- результаты исследований полученных кристаллогидратов метасиликата натрия;
- технологическая схема производства кристаллогидратов метасиликата натрия из диатомита Инзенского месторождения;
- результаты исследования свойств силикатных покрытий на основе пятиводного метасиликата натрия;
- результаты исследования влияния пятиводного метасиликата натрия на формовочные и обжиговые свойства глин Шеланговского и Ключищенского месторождений.
Личный вклад автора состоит в проведении экспериментальных исследований и расчетов, в анализе, обобщении и обсуждении экспериментальных данных совместно с руководителем и соавторами публикаций; в разработке научных основ процесса переработки диатомита Инзенского месторождения в кристаллогидраты метасиликата натрия.
Апробация работы. Основные результаты исследований обсуждались на научной сессии КГТУ (г. Казань, 2008, 2010), Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Неорганические соединения и функциональные материалы» (г. Казань, 2010), X Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2010).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ: в виде статей – 3 (из них в журналах, рекомендованных ВАК – 3), тезисов докладов – 5.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 130 страницах и состоит из введения, обзора литературы, методической части, результатов исследования и их обсуждения, расчетной части, выводов, списка цитируемой литературы из 76 источников. Работа содержит 38 рисунков и 15 таблиц.
