Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор литературных источников 13
1.1 Отходы горно-металлургического цикла и эффективность их вторичного использования 13
1.2 Композиционные вяжущие вещества 24
1.3 Механоактивация твердых сыпучих материалов. 27
1.4 Влияние поверхностно-активных веществ в составе цементных систем 30
1.5 Реологические свойства строительных растворов 39
1.6 Сухие строительные смеси для наливных полов 42
Выводы по главе 1 46
2 Сырьевые материалы, методы исследований и оборудование 49
2.1 Сырьевые материалы 49
2.2 Методы исследований и оборудование 56
3 Отходы флотации в составе композиционных вяжущих 63
3.1 Выбор помольного агрегата для получения композиционных вяжущих 63
3.2 Отходы флотации магнетитовой фракции железистых кварцитов в составе композиционных вяжущих 69
3.2.1 Определение оптимальной дозировки отходов в составе композиционных вяжущих 69
3.2.2 Микроструктуры отходов и композиционных вяжущих 71
3.3 Отходы флотации гематитовой фракции железистых кварцитов в составе композиционных вяжущих 78
3.3.1 Выбор способа приготовления и разработка составов композиционных вяжущих 78
3.3.2 Рентгенофазовый анализ композиционных вяжущих и гидратированных композитов на их основе 89
3.3.3 Микроструктуры композитов 94
Выводы по главе 3 102
4 Влияние флотореагента, содержащегося в отходах флотации, на композиционные вяжущие 104
4.1 Получение модельной системы отходов флотации и композиционных вяжущих 106
4.2 Адсорбционные характеристики и влияние флотореагента на электрокинетический потенциал различных материалов 107
4.3 Определение краевого угла смачивания водой и раствором флотореагента на различных поверхностях 117
4.4 Влияние флотореагента на поверхностное натяжение воды 118
4.5 Влияние флотореагента в составе отходов на реологические свойства суспензий композиционных вяжущих 119
4.6 Гидрофобизирующее действие флотореагента в составе отходов на композиционные вяжущие 122
4.7 Влияние флотореагента в составе отходов на нормальную густоту суспензий композиционных вяжущих и физико-механические характеристики композитов 124
4.8 Рентгенофазовый анализ композитов 126
Выводы по главе 4 130
5 Оптимизация составов и разработка технологии производства композиционных вяжущих и сухих смесей 132
5.1 Разработка оптимального состава модифицированного композиционного вяжущего 132
5.2 Разработка оптимального состава сухой строительной смеси 138
5.3 Разработка технологической схемы производства сухих смесей с узлом приготовления композиционных вяжущих 148
Выводы по главе 5 151
6 Расчет экономической эффективности 153
Заключение.. 160
Список литературы
- Влияние поверхностно-активных веществ в составе цементных систем
- Методы исследований и оборудование
- Отходы флотации гематитовой фракции железистых кварцитов в составе композиционных вяжущих
- Определение краевого угла смачивания водой и раствором флотореагента на различных поверхностях
Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы восстановление сырьевых ресурсов из горнопромышленных отходов и их комплексное использование во вторичном производстве являются вопросами мировой важности. Наряду с этим, в условиях интенсивного роста градостроительства, возрастает потребность в новых эффективных композиционных вяжущих.
Большинство горно-обогатительных комбинатов железных руд, в том числе и ООО «Михайловский горно-обогатительный комбинат» для получения качественного концентрата железа, использует магнитно-флотационную схему обогащения железистых кварцитов – обогащение железной руды методом магнитной сепарации с последующим дообогащением методом обратной ка-тионной флотации. В качестве флотореагентов при флотационном дообогаще-нии магнетитовой и гематитовой фракций железистых кварцитов, используются следующие флотореагенты: катионный собиратель РА-14 (изодецилокси-пропиламин), депрессор – гидролизованный крахмал, регулятор кислотности – гидроксид натрия. При этом ежегодно образуется до 10 млн т в год отходов флотации железистых кварцитов.
Применение отходов флотации железистых кварцитов в производстве композиционных вяжущих позволит эффективно использовать техногенные отходы и создать новые вяжущие с требуемыми показателями качества. Поэтому исследования, направленные на разработку составов и технологии получения композиционных вяжущих на основе отходов флотации актуальны.
Работа выполнена в рамках гранта для аспирантов и молодых научно-педагогических работников по программе стратегического развития БГТУ им. В.Г. Шухова на 2012-2016 годы (договор № Б – 6/14 от 10.04.14.), при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № НК 14-41-08015/14 р_офи_м. «Комплексное использование отходов флотационного обогащения магнетитовой фракции».
Степень разработанности темы. Среди отходов обогащения железных руд во вторичном производстве наибольшее распространение получили отходы сухой и мокрой магнитной сепарации руды. Однако, возможность применения отходов флотации железистых кварцитов во вторичном производстве слабо изучена. Исследования отходов флотации железистых кварцитов в составах композиционных вяжущих до настоящего времени не проводились.
Цель и задачи работы. Разработка технологии производства композиционных вяжущих на основе отходов флотации железистых кварцитов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследование возможности использования отходов флотации при производстве композиционных вяжущих;
исследование влияния флотореагента, адсорбировавшегося на поверхности отходов флотации, на композиционные вяжущие;
разработка технологии приготовления композиционных вяжущих на основе отходов флотации;
разработка технологической схемы производства сухой строительной смеси для наливного пола;
подготовка нормативной документации для реализации теоретических и экспериментальных исследований. Промышленная апробация.
Научная новизна. Установлены закономерности действия отходов флотации, содержащих изодецилоксипропиламин (катионактивный флотореа-гент РА-14), при структурообразовании композиционных вяжущих, заключающиеся в замедлении процессов гидратации, снижении содержания эт-трингита, портландита, гидросиликатов и гидроалюминатов кальция на начальной стадии гидратации. Это обусловлено преимущественной адсорбцией РА-14 на кварцевой составляющей отходов - 20,310-2 мг/г (в 15 и 20 раз большей, чем на оксиде магния и оксиде железа (III) соответственно) и, как следствие, пространственной блокировкой активных центров кварца. При последующем твердении фазовый состав и содержание продуктов гидратации в разработанных композиционных вяжущих и их аналогах на основе модельной системы без флотореагента РА-14 выравниваются.
Выявлено, что благодаря адсорбции РА-14 на кварцевой составляющей отходов происходит перезарядка поверхности частиц кварца при концентрации флотореагента РА-14 в пульпе 150 г/т и, как следствие, их отталкивание от положительно заряженных активных центров магнетита и гематита. Увеличение концентрации флотореагента РА-14 в пульпе от 150 до 350 г/т способствует снижению эффективной вязкости суспензий разработанных композиционных вяжущих на 12-17% по сравнению с их аналогами на основе модельной системы. При этом снижение нормальной густоты суспензий вяжущих составляет 9-12%, а увеличение предела прочности при сжатии композиционных материалов в возрасте 28 суток 7-11% соответственно.
Определено, что отходы флотации за счет содержания флотореагента РА-14 увеличивают гидрофобные свойства готовых композитов, краевой угол смачивания водой на поверхности композитов на основе отходов флотации увеличивается от 70 до 94 градусов, что позволяет получать строительные материалы на основе композиционного вяжущего с пониженной водопроницаемостью.
Теоретическая и практическая значимость работы:
установлено влияние способа приготовления композиционных вяжущих на основе отходов флотации на их свойства;
выявлено пластифицирующее действие флотореагента РА-14 в составе отходов флотации на суспензии композиционных вяжущих;
выявлено гидрофобизирующее действие флотореагента РА-14 в составе отходов флотации на вяжущие композиты;
усовершенствована классификация наливных полов;
разработана технология получения композиционного вяжущего на основе отходов флотации, позволяющая экономить до 30% портланцемента и получить композиты с пределом прочности при сжатии на 26 % превышающим предел прочности цементного камня;
предложены составы модифицированных композиционных вяжущих с пределом прочности при сжатии в 2 раза превышающим предел прочности цементного камня и позволяющие экономить до 50% дорогостоящего гиперпластификатора;
разработаны составы и технология производства эффективных сухих строительных смесей для наливных полов с узлом приготовления композиционного вяжущего.
Методология работы и методы исследований. Проведенные исследования выполнены с использованием современных физико-химических методов исследования, включающих растровую электронную микроскопию, лазерную гранулометрию, рентгенофазовый анализ, фотоколориметрический метод, метод анализа формы висящей капли, метод выполнения измерений массовой концентрации алифатических аминов в сточных и поверхностных водах с последующим построением изотерм адсорбции и другие методы.
Достоверность результатов работы. Для проведения исследований отбирали пробы из хвостохранилищ ОАО «Михайловского ГОКа», согласно актам отбора проб.
В работе применяли методы исследований широкого спектра, использовали сертифицированное научно-исследовательское оборудование. Полученные экспериментальные данные сопоставимы с теоретическими положениями и результатами работ других известных авторов.
Весь объем экспериментов проведен непосредственно автором. Все разделы диссертационной работы выполнены лично автором.
Промышленные испытания подтверждаются актами выпуска промышленных партий и актом апробации результатов научной работы.
Внедрение результатов исследований. На предприятии ООО «Экострой-материалы» выпущены промышленные партии композиционных вяжущих и сухих строительных смесей на основе отходов флотации. Результаты испытаний сухих смесей показали, что они соответствуют требованиям ГОСТ 31358-2007 и ГОСТ 5802-86.
На предприятии ООО «Стройиндустрия» выполнены исследования промышленной партии сухой строительной смеси. Смеси апробированы при устройстве пола транзитно-перевалочного склада. Затвердевшие наливные полы отшлифованы. Наблюдения за состоянием полов в течение 1 года, показали, что они находятся в хорошем состоянии, дефектов не наблюдается.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на Международных конференциях: ХII Международная научно-техническая конференция «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на промышленных
предприятиях, в строительстве, на транспорте и в сельском хозяйстве» (Пенза – 2012 г.), Международная научно-практическая конференция «Строительные технологии и архитектурная эстетика информационного общества» (Великобритания, Лондон – 2013 г.), Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы современной науки в 21 веке» (Москва – 2013 г.), Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова, посвященная 160-летию со дня рождения В.Г. Шухова (Белгород – 2013), Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород -2013), Международная молодёжная научная конференция «Экология и рациональное природопользование регионов»(Белгород – 2013), V Международная научно-практическая конференция «Экология образование наука промышленность и здоровье» (Белгород – 2013), Международная научная конференция «Эффективные композиты для архитектурной геоники» (Белгород – 2013), Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (Белгород- 2014), X Международная научно-практическая конференция «Новости передовой науки – 2014» (Болгария, София – 2014), Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы архитектуры и строительства» (Благовещенск – 2014 г.), ХI Всероссийская научно-практическая конференция «Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство» (Старый Оскол – 2014 г.), Международная конференция «Перспективные разработки науки и техники» (Польша, Пше-мысль – 2014), Новые технологии и проблемы технических наук (Красноярск – 2014 г.), Международная научно-практическая конференция «Строительные технологии и архитектурная эстетика информационного общества», Материалы международной научно-практической конференции «Векторы развития современной науки», (Уфа – 2014 г.), Международная научно-практическая конференция, посвященная 95-летию ФГБОУ ВПО «ГГНТУ им. акад. М.Д. Миллион-щикова» (Грозный - 2015), Международная научно-практическая конференция «Наукоемкие технологии и инновации» (XХII научные чтения) (Белгород – 2016).
Публикации. Результаты исследований, подтверждающие основные положения диссертационной работы, опубликованы в 18 научных публикациях, в том числе в 9 статях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статье в издании, индексирующемся в базе данных Scopus; опубликовано 4 монографии; зарегистрировано 2 Ноу-Хау № 20130039 и № 20170020.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 187 страницах и состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы и приложения, содержит 76 рисунков, 34 таблицы. Список литературы содержит 162 источника.
Влияние поверхностно-активных веществ в составе цементных систем
В настоящее время наибольшее распространение получили методы мокрой и сухой магнитной сепарации руды, широко используется способ флотации железистых кварцитов.
На сегодняшний день учеными непрерывно проводятся исследования по исследованию возможности использования различных видов техногенных отходов во вторичном производстве [13 – 18].
Отходы обогащения более удобны для использования, чем отвалы, поскольку они, более однородны по химическому, минералогическому, гранулометрическому составу,представляют собой уже дисперсный материал с высокой удельной поверхностью.
Получаемые при сухой магнитной сепарации (СМС) отходы, чаще всего представлены железистыми карбонатами и силикатами. Согласно исследованиям [19 –23] хвосты СМС получили более широкое распространение в отрасли строительного материаловедения, чем хвосты мокрой магнитной сепарации (ММС). ММС можно использовать для получения кобальта, серы, цветных металлов и другой продукции.
Если отходы ММС не содержат ценных примесей и не складируются с целью дальнейшей переработки, их желательно использовать в производстве строительных материалов. Мелкая фракция отходов используется для получения плотных автоклавных и безавтоклавных бетонов, как отощитель для кирпича и компонент газосиликатов. Хвосты обогащения кварцево-железистого состава могут используются в качестве мелкого заполнителя и кремнеземистого компонента вяжущего. Установлено, что использование хвостов обогащения железных руд позволяет получить плотные силикатные бетоны марок 400 - 700. Такие бетоны обладают высокой морозостойкостью, стойкостью к воздействию агрессивных вод, большим сопротивлением к истиранию, превышающим аналогичный показатель бетонов на традиционных заполнителях в 1,5 раза, с повышенной прочностью на изгиб. Последние два показателя обусловливают широкие перспективы использования подобных бетонов в дорожном строительстве [24]. Выполнены исследования по использования сталеплавильных шлаков для получения качественного афальтобетона [25]. Разработаны составы мелкозернистых бетонов на основе хвостов ММС [26].
Флотация (флотационное обогащение) это один из методов обогащения полезных ископаемых, который основан на различии способностей веществудер-живаться на межфазовой поверхности, обусловленных различием в удельных поверхностных энергиях. Гидрофобные частицы веществ избирательно закрепляются на границе раздела фаз, обычно газа и воды, и отделяются от гидрофильных частиц. В зависимости от характера и способа образования межфазных границ (водамаслогаз), на которых происходит закрепление разделяемых компонентов различают несколько видов флотации: масляная флотация; пленочная флотация; пенная флотация [27-29]. Флотационное обогащение железных руд является пенной флотацией. Оно основано на различиях в физико-химических свойствах поверхности минералов в зависимости от их состава, что вызывает селективное прилипание частиц к пузырькам воздуха в воде. Агрегаты, состоящие из пузырьков и прилипших частичек, всплывают на поверхность воды, тогда как не прилипшие к пузырькам частицы оседают, в результате чего происходит разделение минералов. Для обеспечения этого процесса в суспензию при флотации вводятся специальные добавки, называемые флотационными реагентами или флотореагентами. Они составляют главную статью расходов при флотации. Существует несколько типов флотореа-гентов, отличающихся принципом действия: собиратели реагенты, избирательно сорбирующиеся на поверхности минерала, которому необходимо придать гидрофобные свойства и перевести в пену; регуляторы -реагенты, в результате избирательной сорбции которых на поверхности минерала, последний становится гидрофильным и не способным к флотации; пенообразователи - предназначены для улучшения диспергирования воздуха и придания устойчивости минерализованным пенам; активаторы - реагенты, создающие условия, благоприятствующие закреплению собирателей на поверхности минералов; депрессоры - реагенты, применяемые для предотвращения гидрофобизации минералов собирателями. Их предназначение – это повышение избирательности (селективности) флотации при разделении минералов, обладающих близкими флотационными свойствами. Для получения высокосортного концентрата при флотации железных руд обычно используют комбинации флотореагентов [30 - 31].
ОАО «Михайловский горно-обогатительный комбинат» (МГОК) российский производитель железно-рудного сырья, расположен в городе Железногорск Курской области и входит в металлургический холдинг «Металлоинвест». Руда здесь залегает мощным пластом шириной до 2,5 км и протяженностью около 7 км. Объем ее разведанных запасов – более 11 миллиардов тонн. На стадиях добычи и переработки руда проходит различные технологические операции, сопровождающиеся образованием огромного количества отходов. Схема образования отходов МГОКа представлена на рисунке 1.2 [32 - 33]. МГОК для получения качественного концентрата с низким содержанием оксида кремния и щелочей (K2O + Na2O), использует магнитно-флотационную схему обогащения железистых кварцитов – обогащение железной руды методом магнитной сепарации с последующим дообогащением методом обратной катион-ной флотации. Технологическая схема магнитной сепарации представлена на рисунке 1.3, а обратной катионной флотации железистых кварцитов на рисунке 1.4. В качестве флотореагентов для флотации, как магнетитовой так и гематитовой фракции железистых кварцитов, используют: собиратель РА-14 (изодецилокси-пропиламин), депрессор – гидролизованный крахмал, регулятор кислотности – гидроксид натрия [33-34].
Методы исследований и оборудование
Влияние температуры на сорбцию в растворах изучено Гиббсом. Им же введено понятие об избыточной адсорбции (Г), характеризующее избыточное содержание сорбата в адсорбционном слое в сравнении с его содержанием в растворе. В случае, когда адсорбция происходит за счет электростатических и специфических сил, уравнение для константы равновесия принимает вид: КА = К А е RT где Кд - константа равновесия при стандартных условиях; Az — изменение заряда поверхности; F - постоянная Фарадея; - электрический потенциал поверхности; R - газовая постоянная; T - абсолютная температура. Таким образом, константа равновесия связана не только с химической составляющей свободной энергией Гиббса, но и с электростатической.
При этом при адсорбции ПАВ на границе раздела раствор-воздух свободная энергия Гиббса привязывается к адсорбционной модели Штерна, при которой адсорбция происходит на определенной площадке мономолекулярным слоем, а молекулы при этом неподвижны.
Явление вовлечения коллоидных частиц при тепловом движении молекул в молекулярно-кинетическое движение среды было обнаружено в 1927 г. английским ботаником Робертом Броуном, наблюдавшим в микроскоп непрерывное движение очень мелких частичек - спор цветочной пыльцы, взвешенных в воде [83].
Для изучения природы электрического заряда поверхности оксидов определяющим значением поверхностного заряда является значение рН, потому, что заряд на поверхности оксидов образуется вследствие гидратации минеральной поверхности по основному механизму диссоциации или по кислотному. Так как на поверхности оксидов нет постоянного заряда, то заряд на поверхности создается гидроксилами, это происходит за счет разницы химических потенциалов жидкой и твердой фазы. При этом равновесие достигается по причине адсорбции молекул воды и диссоциации.
Стоит отметить, что для любой системы минерал/раствор характерна изо-электрическая точка, т.е. точка, соответствующая нулевому заряду. Возникновение зарядов и их величина обусловлены процессами образования на границе жидкость-твердое тело двойного электрического слоя. Образование двойного электрического слоя (ДЭС) происходит самопроизвольно, вследствие стремления системы уменьшить энергию Гиббса поверхностного слоя. С наличием ДЭС связаны все явления на межфазных поверхностях.От строение ДЭС зависят количественные связи между коллоидными частицами. Таким образом, оценка строения ДЭС очень важна при исследовании коллоидных систем [84].
Современная теория строения двойного электрического слоя основывается на представлениях Штерна о том, что ионы имеют конечные, вполне определённые размеры, а значит, что центры ионов не могут находиться к поверхности твёрдой фазы ближе, чем на расстоянии ионного радиуса. Так же, Штерн учёл специфическое, не электрическое, взаимодействие ионов с поверхностью твёрдой фазы. Таким образом, Штерн рассматривает электрический слой в виде двух частей (рисунок 1.7).
Первый слой находится непосредственно у межфазной поверхности и образуется под влиянием как электростатических, так и адсорбционных сил. Этот слой соответствует диаметру потенциалобразующих ионов (противоионов), находящихся в нем, удерживающихся поверхностью на очень близком расстоянии, порядка 1-2 молекул, образуя плоский конденсатор толщиной , предусмотренный теорией Гельмгольца-Перрена. В этом слое наблюдается резкое падение электрического потенциала. Согласно одним авторам, он называется гельмголь-цевскими, другим – штерновскими, третьим – адсорбционным слоем. Рисунок 1.7 Двойной электрический слой и изменение в нем потенциала
Остальные противоионы располагаются в диффузной части. Диффузная часть зависит от состава раствора и свойств коллоидной системы. Диффузный слой образуется в результате теплового разбрасывания образуют, потенциалобра-зующие ионы в нем распределены согласно тем же законам, что и в диффузном слое Гуи-Чэпмена. В этой части двойного слоя, потенциал падает относительно постепенно. Иногда её называют слоем Гуи [85-87].
Измерить ДЭС на практике существующими методами невозможно, однако можно определить близкое значение к ДЭС – это электрокинетический потенциал или дзета-потенциал. Величина скачка потенциала на границе фаз, находящихся в движении относительно друг друга (на поверхности скольжения АB), называется электрокинетическим или– потенциалом (дзета-потенциалом).
Дзета-потенциал определяет интенсивность электрокинетических явлений, возможность и скорость перемещения дисперсной фазы и дисперсионной среды относительно друг друга, устойчивость золей и разрушение дисперсных систем электролитами. Значение электрокинетического потенциала определяется по скорости движения коллоидных частиц и жидкости, а знак определяется знаком заряда потенциалобразующего слоя. Изменение электрокинетического потенциала зависит от свойств среды и наличия в ней противоионов. Увеличение концентрации противоионов приводит к сжатию диффузного слоя и снижению дзета-потенциала. Когда все противоионы будут находиться в адсорбционном слое, происходит полная компенсация потенциалобразующего слоя, дзета-потенциал равен нулю, это носит название изоэлектрическая точка.
Отходы флотации гематитовой фракции железистых кварцитов в составе композиционных вяжущих
Методика определения удельной поверхности. Удельную поверхность исследуемых материалов в рамках диссертационной работы определяли по методу воздухопроницаемости согласно нормативному документу ГОСТ 310.2-76[119]с использованием оборудования для определения удельной поверхности ЦНТТМ "Интеграл" маркиПМЦ-500.
Методики определения сроков схватывания цементного теста и его нормальной густоты.В рамках данной диссертационной работы сроки схватывания цементного теста и его нормальную густоту определяли с использованием прибора Вика согласно методикам, описанным вГОСТ 310.3-81 [120].
Методика определения прочностных характеристик. В процессе исследований определялся предел прочности при сжатии и изгибе разработанных композиционных вяжущих веществ и сухих строительных смесей. Отформованные образцы твердели при нормальных условиях и ТВО+7. Предел прочности при сжатии определялся согласно ГОСТ 310.4-81 [121] с помощью испытательного гидравлического пресса ПГМ-50МГ4.
Методика определения подвижности. Показатель подвижности разработанных сухих строительных смесей определяли по расплыву кольца, согласно методике, описанной в ГОСТ 31356-2007 [122].
Методика исследования микроструктур разработанных композиционных вяжущих. Для исследования микроструктур композиционных вяжущих использовался растровый электронный микроскоп (РЭМ) высокого разрешения MIRA 3 LM.
Растровая электронная микроскопия методом сканирования образцов тонко сфокусированным пучком электронов дает возможность получать изображения объёмных электронно-плотных образцов с высоким разрешением. С помощью этого метода можно получить информацию о строении поверхности исследуемого вещества, например топографический контраст, вторичные электроны, и некоторые другие характеристики исследуемого вещества[123]. Методики определения поверхностного натяжения и краевого угла смачивания. Определение поверхностного на различных границах раздела фаз и краевого угла смачивания водой и растворами РА-14 на различных поверхностях с помощью прибора KRUSSEasyDrop DSA-30.
Определение поверхностного натяжения проводилось методом анализа формы висящей капли. Анализ формы висящей капли – это метод анализа изображения для определения поверхностного/межфазного натяжения. Так как поверхностное натяжение стремится минимизировать площадь поверхности жидкости, то геометрия капли в отсутствие гравитации будет идеальной сферой. Если на каплю действуют силы гравитации и что-то фиксирует верх капли, последняя вытягивается вдоль оси действия сил гравитации. Согласно уравнению Лапласа давление, действующее на каплю, зависит от радиуса кривизны контура.
Измерения производились статистическим способом – размер исследуемой капли оставался постоянным. Для оценки формы лежащей капли использовался метод Юнга-Лапласа. В этом методе при построении контура капли учитываются поправки на то, что не только межфазные взаимодействия разрушают форму капли, но и собственный вес жидкости.
Для проведения расчетов и управления оборудованием при проведении научных исследований применялась компьютерная программа ADVANCED.
Методика определения адсорбционных характеристик. Адсорбционную способность различных материалов по отношению к различным концентрациям РА-14 изучали методом центрифугирования с последующим определением остаточных концентраций по методике выполнения измерений массовой концентрации алифатических аминов в сточных и поверхностных водах с последующим построением изотерм адсорбции[124]. Перемешивание суспензий проводили в течение 10 минут в магнитной мешалке, а затем подвергали центрифугированию (10 мин, 5000 об/мин)с помощью оборудования ОПН – 8.
Метод измерения массовой концентрации алифатических аминов в сточных и поверхностных водах основан на экстракции комплекса алифатических аминов с тропеолином (0,01%) при рН = 2,5 – 4,0 в хлороформе с последующей реэкс 61 тракцией красителя из органической фазы посредством соляной кислоты и фото-метрировании водного слоя, окрашенного в малиново-фиолетовый цвет.
Данная методика устанавливает экстракционно-фотоколометрический метод измерения алифатических аминов в диапазоне от 0,003 мг/дм3 до 0,3 мг/дм3. Вданной работе была необходимость построения изотерм адсорбции при более высоких концентрациях, для определения концентраций при которых изотермы адсорбции выходят на плато. В связи перед определением остаточных концентраций было проведено разбавление полученных концентраций в 100 раз. Поэтому, в дальнейших расчетах использовался коэффициент пересчета (k). Величину оптической плотности в равновесных растворах измеряли фотоколориметрическим методом на фотоэлектроколориметре LCKLSS 1207. Фотоколориметрический метод основан на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через окрашенный раствор.
Методика определения электрокинетического потенциала. Измерение электрокинетического потенциала искусственно-созданного отхода, его элементных составляющих, отходов флотации гематитовой фракции и разработанных композиционных вяжущих проводилось методом измерения отклика заряженных частиц на электрическое поле с помощью лазерного дифрактометра Microtrac Zetatrac. При постоянном электрическом поле скорость перемещения частиц является постоянной. Заряд частиц и величина электрокинетического потенциала определяется через скорость движения частиц.
Анализатор размера частиц и дзета-потенциала частиц Zetatrac управляется посредством программного обеспечения Microtrac FLEX.
Методика определения реологических характеристик. Исследование основных реологических характеристики суспензий композиционных вяжущих проводилось с помощью ротационного вискозиметра Rheotest RN4.1.
Определение пластической вязкости проводили методом перемещения слоев суспензии относительно друг друга и взаимодействия «частица-среда». Измерения проводились с использованием измерительной цилиндрической системы при регулируемом напряжении сдвига [117].
Определение краевого угла смачивания водой и раствором флотореагента на различных поверхностях
На МГОКе при флотационном дообогащении железистых кварцитов используют следующую комбинацию флотореагентов: собиратель РА-14, депрессор – гидролизованный крахмал, регулятор кислотности – гидроксид натрия.
Флотореагент РА-14 является поверхностно-активным веществом (ПАВ), адсорбирующимся на поверхности отходов флотации при флотации. Концентрация РА-14 в составе суспензии при флотации составляет 250 г/т. Однако, при этом РА-14 способен адсорбироваться на поверхности железа. Поэтому, для исключения перехода железа в пенный продукт, в пульпу при флотации следует добавлять крахмал. Так как крахмал является труднорастворимым в воде соединением, на МГОКе при флотационном дообогащении железистых кварцитов используется гидролизованный крахмал [34,129].
Гидролизованный крахмал, растворяется в водном растворе в пульпе при флотации и преимущественно адсорбируется на поверхности железа, тем самым препятствует адсорбции РА-14 на его поверхности и переходу железа в пенный продукт.
Согласно исследованиям [32, 34], на поверхности пенного продукта гидролизованный крахмал способен адсорбироваться в очень малом количестве, поэтому он не будет оказывать значительного влияния на цементные системы.
Отсюда можно предположить, что катионный собиратель РА-14, являющийся ПАВ, содержится на поверхности отходов флотационного дообо-гащения железистых кварцитов в воздушно-сухом состоянии, и за счет этого, при введении отходов флотации в цементные системы, они будут оказывать пластифицирующее действие.
Поэтому, рассматривалась гипотеза влияния катионного собирателя РА-14, содержащегося на поверхности отходов флотации в составе цементных систем. Предполагается, что РА-14, адсорбировавшийся на поверхности отходов флотации способен оказывать пластифицирующий эффект на цементные системы.
Для подтверждения или опровержения этой гипотезы нами синтезирована модельная система (МС) отходов флотационного дообогащения гемати-товой фракции железистых кварцитов, являющаяся их искусственным аналогом. Выполнены сравнительные исследования МС и отходов флотационного дообогащения гематитовой фракции железистых кварцитов, образовавшихся при различных концентрациях РА-14 в суспензиях при флотации, а так же вяжущих композиций на их основе.
В связи с тем, что на МГОКе имеются отходы флотации железистых кварцитов, образовавшиеся только при концентрации флотореагента РА-14 в пульпе 250 г/т, а в лабораториях БГТУ им. В.Г. Шухова получены аналогичные отходы флотации, образовавшиеся при различных концентрациях РА-14 в суспензиях при флотации (что представляет интерес для обогатительного процесса).
Для проведения исследований были выбраны отходы флотационного дообогащения гематитовой фракции железистых кварцитов, образовавшиеся в лабораториях БГТУ имени В.Г. Шухова [23]. Исследование отходов флотации, образовавшихся при различных концентрациях флотореагента, позволило более детально и точно оценить его влияние на цементные системы.
Учитывая, что при флотации магнетита и гематита на МГОКе используют одинаковые флотореагенты и их концентрации в составах суспензий при флотации, а так же аналогичность составов, дисперсности этих отходов и равнозначное влияние на свойства вяжущих композиций на их основе, можно утверждать об одинаковом влиянии отходов флотации гематита и магнетита на цементные системы.
В соответствии с химическим составом отходов флотации гематито-вой фракции железистых кварцитов, образовавшихся при концентрации ка-тионного собирателя в суспензии 250 г/т (ОФг250) (глава 2, п 2.1, таблица 2.6) в качестве сырьевых материалов для получения модельной системы отходов флотации были выбраны следующие оксиды: оксид кремния SiO2, оксид железа (III) Fe2O3, оксид алюминия Al2O3, оксид магния MgO, при соотношении, масс %: Учитывая, незначительное содержание в составах отходов прочих оксидов, содержание оксидов в модельной системе (МС) отходов флотации железистых кварцитов было пересчитано в сторону увеличения. Модельная система получена совместным измельчением составляющих её компонентов до удельной поверхности 250 м2/кг, соизмеримой с удельной поверхностью отходов флотации.
Для получения вяжущих композиций было проведено совместное измельчение портландцемента и различных минеральных наполнителей в вибрационной мельнице в течение 30 мин (таблица 4.1).
В качестве наполнителей были взяты модельная система отходов флотации и отходы флотации железистых кварцитов, образовавшиеся при разных концентрациях РА-14 в суспензии при флотации: ОФг150 (концентрация РА-14 составляет 150 г/т), ОФг250 (концентрация РА-14 составляет 250 г/т), ОФг350 (концентрация РА-14 составляет 250 г/т) (глава 2. п. 2.1.).