Технология синтетического волластонита из природных кальций- и кремнийсодержащих соединений Исламова, Галия Газизовна

Введение к работе

Актуальность темы

Волластонит - природный метасиликат кальция состава CaSiO₃. Этот неорганический полимер P-CaSiO₃ обладает гаммой параметров, определяющих области его применения в качестве сорбента, наполнителя, армирующей добавки в композиционных материалах, при производстве бумаги или в качестве пигмента. Важными свойствами волластонита являются высокая химическая стойкость, низкая теплопроводность, игольчатый габитус частиц, высокая температура плавления, экологическая чистота и безопасность применения. На сегодня минерально-сырьевая база волластонита недостаточна для покрытия потребностей различных отраслей промышленности, поэтому актуальным является получение заменителя волластонита из сырьевых компонентов, запасы которых имеются в достаточном количестве.

В настоящее время существуют различные способы получения волластонита как из природных, так и искусственных химических соединений: расплавные методы, синтез, основанный на взаимодействии химических компонентов в водной среде при обычных условиях, гидротермальный синтез, твердофазный синтез и др. Все эти способы имеют определенные преимущества и недостатки. Твердофазный синтез, по сравнению с другими способами, имеет меньшую энергоемкость и простую схему производства, исключая эксплуатацию специальных установок с применением высокого давления и температуры. Важной особенностью синтезируемого продукта, получаемого этим способом, является его стабильный и регулируемый состав. В этой связи выполнение настоящей диссертационной работы представляется актуальным.

Цель и задачи исследования

Целью данной работы являлась разработка технологии синтетического волластонита (заменителя) из природных кальций- и кремнийсодержащих соединений.

Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Комплексно исследовать исходные компоненты: карбонатные породы (кальцит, микрокальцит), кремнеземсодержащее сырье (опока, трепел, диатомит, кварц) и полученные продукты.

2. Подобрать оптимальные условия подготовки сырья к твердофазному синтезу (измельчение, механоактивация, химическая активация).

3. Выявить кинетические закономерности взаимодействия карбонатов кальция с кремнийсодержащими соединениями.

4. Разработать алгоритм технологии синтетического волластонита с учетом соотношений сырьевых компонентов, температуры обжига и продолжительности процесса твердофазного спекания.

5. Разработать принципиальную схему получения синтетического волластонита.

6. Изучить влияние волластонита на физико-механические характеристики керамических материалов и вяжущих.

Предмет и объекты исследования

В качестве объектов исследования были выбраны природные кремнийсодержащие соединения: диатомит, опока, трепел, кварц; кальцийсодержащими компонентами являлись кальцит и микрокальцит. Предметом исследования является фазовый состав и текстурно-структурные особенности исходных компонентов и искусственного волластонита, синтезируемого при термическом твердофазном спекании выбранных компонентов.

Научная новизна работы

6. 1. Научно обоснован и экспериментально осуществлен выбор наиболее оптимальных вариантов подготовки шихты и подбор условий твердофазного синтеза силикатов кальция, имеющих волокнистый габитус частиц, который определяет их армирующие и прочностные технологические характеристики. Предложена программа ступенчатой пробоподготовки природных сырьевых компонентов, посредством которой достигается заданный дисперсный состав.

   2. Установлено, что выход полезного продукта (Р-волластонита - метасиликата кальция) зависит от кристаллохимических и текстурных особенностей природных сырьевых материалов: степени совершенства кристаллической структуры, дисперсности, формы первичных частиц и их агрегатов. Степень дефектности кристаллической структуры новообразованной волластонитовой фазы также обусловливается влиянием всех вышеперечисленных факторов.

   3. Определены термические режимы обжига подготовленной смеси с целью получения Р-волластонита, имеющего игольчатую структуру. Температура обжига - 1050С, время изотермической выдержки - 3 часа.

   4. Предложены специальные приемы, позволяющие увеличить выход волластонита: прессование сырьевой шихты; повышение реакционной способности компонентов шихты механической и химической активацией; введение специальных добавок (жидкое стекло, его кристаллические производные и природный волластонит).

   5. Установлено, что полезные свойства полученного продукта обусловлены аддитивным влиянием структурно-кристаллохимических особенностей всех новообразованных фаз (волластонит, ларнит, геленит).

   6. Выявлено, что равномерность (в интервале 30-700С) и многоступенчатость (3 основных ступени) процесса дегидратации кремнийсодержащего компонента приводит к увеличению выхода Р-волластонита.

   7. По данным термокинетического анализа установлены основные стадии твердофазного синтеза Р-волластонита: первая - гетерофазная реакция с автокатализом, протекающая на межфазных границах, вторая - объемная и поверхностная самодиффузия. Лимитирующей стадией твердофазного взаимодействия является образование зародышей волластонита, их последующий рост и фазовое превращение ортосиликата кальция в метасиликат кальция.

   Практическая значимость

   Разработанная технология синтетического заменителя волластонита позволяет использовать доступные и дешевые сырьевые компоненты и минимизировать затраты на их подготовку к твердофазному синтезу.

   Проведена апробация синтезированного волластонита в качестве наполнителя в цементах и керамических материалах. Показано, что использование волластонита в качестве модифицирующей добавки в керамическую шихту позволяет снизить воздушную и огневую усадку и увеличить прочность керамических материалов. Установлено, что введение волластонита в цементные камни приводит к многоплановому улучшению свойств портландцемента: увеличению прочности отвердевшего бетона и составов их сухой смеси.

   По результатам проведенных испытаний керамических материалов и цементов получены акты внедрения от ООО «Керамика» и ФГБОУ ВПО «КазГАСУ».

   На защиту выносятся:

   1. результаты исследований по определению оптимальных условий получения синтетического волластонита из природных кальций- и кремнийсодержащих соединений;

   2. результаты кинетического анализа твердофазных превращений в системе кальцит-диатомит;

   3. результаты исследований структурных и фазовых превращений компонентов шихты для получения волластонита, происходящих при твердофазном спекании, механической и химической активации;

   4. результаты исследований продуктов синтеза;

   5. технологическая схема производства синтетического волластонита из природных кальций- и кремнийсодержащих соединений;

   6. результаты исследования введения специальных добавок, способствующих активному протеканию топохимических реакций в системе кальцит-диатомит при повышенных температурах;

   7. результаты использования синтетического волластонита в керамических материалах и гидравлических вяжущих.

   Личныш вклад автора состоит в выборе, разработке методик и участии в проведении исследований; анализе, обобщении и обсуждении экспериментальных данных совместно с руководителем и соавторами публикаций; в разработке технологии твердофазного синтеза метасиликата кальция из природных кальций- и кремнийсодержащих сырьевых компонентов; в разработках по применению синтезированного волластонита в керамических материалах и вяжущих.

   Апробация работы. Основные результаты исследований обсуждались на Всероссийской молодежной научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования» (г. Миасс, 2009 г.); XVII Международной конференции по химической термодинамике в России «RCCT 2009» (г. Казань, 2009 г.); Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Неорганические соединения и функциональные материалы» (Казань, 2010 г.); Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (г. Пенза, 2010 г.).

   Публикации

   По материалам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

   Структура и объем работы. Диссертация изложена на 150 страницах и состоит из введения, пяти глав, выводов и библиографического списка из 111 источников. Работа содержит 60 рисунков, 20 таблиц.

   Благодарности

   Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н., профессору Т.З. Лыгиной и кт.н. А.М. Губайдуллиной за консультации по кинетическим расчетам, а так же сотрудникам ФГУП «ЦНИИгеолнеруд», оказавшим помощь в проведении аналитических исследований.

   Похожие диссертации на Технология синтетического волластонита из природных кальций- и кремнийсодержащих соединений

   Исследование процесса и разработка технологии извлечения соединений никеля из отработанных катализаторовДенисов, Сергей Александрович

   Разработка теоретических основ и технологии связывания соединений серы в процессе обжига строительного кирпича из отходов углеобогащения с добавкамиМикула, Олег Ярославович

   Физико-химические основы сульфитной технологии железогидратных соединенийВасёха, Михаил Викторович

   Теоретические основы и технология очищения хлора от соединений серыСлюзар, Андрей Владимирович

   Исследование и разработка технологии регенерирования цинксодержащих поглотителей сернистых соединенийКолосовский, Андрей Леонидович

   

   Разработка баромембранной технологии разделения ненасыщенных растворов, содержащих соединения бораПрохоров Игорь Александрович

   

   Разработка научных основ малоотходных технологий переработки серы и ее соединений в сульфиды и полисульфидыПорфирьева Резида Тимерхановна

   Палладиевые и кобальтовые катализаторы с поверхностным распределением активного компонентаТурков, Глеб Олегович

   Химия и технология получения сурьмы, свинца и их соединений в присутствии многоатомных спиртовИшанходжаев, Саид

   

   Разработка технологии очистки производственных стоков с утилизацией соединений меди и цинка Чубенко Мария Николаевна