Н.К.Манакова, О.В.Суворова

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева  Кольского научного центра РАН

Огромные объемы накопленных отвальных пород и хвостов обогащения создают серьезные экологические проблемы в горнопромышленных районах. Поддержание отвалов вскрышных пород и хвостохранилищ требует значительных материальных затрат. Пыление отвалов, попадание реагентов и тяжелых металлов в природные поверхностные и подземные воды отрицательно воздействуют на сложившиеся экосистемы и здоровье человека. Особенно опасно их воздействие в районах с экстремальными климатическими условиями, где вблизи горнодобывающих предприятий возникают обширные техногенные пустоши [1].

При внедрении кислотной технологии переработки нефелина произойдет накопление большого количества аморфного кремнезема, использование которого возможно при получении строительных и технических материалов. Известно, что теплоизоляционные материалы на основе жидкого стекла представляют значительный интерес в условиях сложившегося дефицита цементного вяжущего, технология их получения проста и не предполагает больших затрат [2]. Рядом авторов установлена возможность получения пористых особо легких заполнителей для бетонов и зернистых теплоизоляционных материалов для промышленного и гражданского строительства на основе жидкостекольной композиции из микрокремнезема [3,4].

С целью утилизации аморфного кремнезема исследовалась возможность получения теплоизоляционного материала из технологической пробы кремнеземсодержащего продукта с опытной установки «Глинозем», действующей на ОАО «Апатит».

С использованием микрокремнезема в количестве 40-60 мас.%, гидроксида натрия и добавок готовили суспензию. Для снижения себестоимости готового продукта и увеличения прочностных характеристик гранул взамен части гидроксида натрия вводились апатитонефелиновые отходы в количестве до 10 мас.%. В качестве модифицирующей добавки, способствующей снижению водопоглощения, увеличению морозостойкости и прочности готового материала, использовали 7.5-17.5 мас.% золошлаковой смеси Апатитской ТЭЦ. В качестве разрыхлителя применяли двууглекислый аммоний. Путем гидротермальной обработки суспензии при температуре 90ºC в течение 20-25 минут готовили жидкостекольную композицию, которую подвергали гранулированию. Полученные сырцовые гранулы после предварительной сушки вспучивали при температуре 350-450ºC в течение 20-30 минут в зависимости от состава смеси.

На рис. 1 представлены фотография вспученных гранул и микроснимок среза гранулы (×4). Форма пор в образцах разнообразна - закрытые поры при соединении с каналообразующими, червеобразными, петлеобразными переходят в открытые.

а                                     б  

Рис. 1. Вспученный зернистый материал (а) и микроструктура среза гранулы (б)

Полученный пористый зернистый материал был подвергнут испытаниям по стандартным методикам.

Технические характеристики гранулята: насыпная плотность 0.17-0.20 г/см³; средняя плотность 0.24-0.33 г/см³; объем межзерновых пустот 44%; пористость 85.8%; коэффициент теплопроводности в засыпке 0.075-0.08 Вт/(м∙Κ); водопоглощение 12%; прочность при сдавливании в цилиндре 0.8-1.3 МПа; морозостойкость 15 циклов (потери массы 5%).

Преимуществом данного теплоизоляционного материала является использование в качестве сырья горно-промышленных отходов, отсутствие вредных добавок (например, кремнефтористого натрия, используемого в качестве отвердителя), а также относительно простая технология получения.

С целью применения полученного гранулированного материала в качестве наполнителя композиционных материалов проведены исследования возможности повышения прочности и снижения водопоглощения гранул. Одним из путей увеличения прочности и снижения водопоглощения без ухудшения остальных свойств, является оптимизация технологических режимов их получения.

По описанной выше технологии готовили жидкостекольную композицию, которую гранулировали. Сырцовые гранулы после предварительной сушки подвергали двухступенчатой термообработке при температурах 400-450ºC в течение 30 минут и при температурах 800, 900ºC в течение 0.5-5 минут. По результатам исследований, представленным на рис. 2, определили оптимальные условия получения вспученного зернистого материала.

Рис. 2. Зависимость прочности гранул от времени выдержки и термообработки при: 1 - 800ºC; 2 - 900ºC

Исследования показали, что предварительная термообработка при температурах 400-450ºC и кратковременный обжиг при температурах 800ºC, 900ºC позволяют получить теплоизоляционный материал с прочностью гранул до 5-6 МПа. При температуре обжига 900ºC в течение 1 минуты возможно получение гранулята с прочностью 5 МПа, дальнейшее увеличение времени выдержки приводит к снижению этого показателя в результате изменения структуры материала. При температуре обжига 800ºC максимальная прочность гранул достигается в течение 2-3 минут. Водопоглощение полученного материала составляет 5-6%, что в 2 раза меньше, чем у материала, изготовленного без дополнительной термообработки.

На рис. 3 представлены результаты РФА обожженного при температуре 800ºC вспученного материала. На рентгенограмме присутствуют рефлексы тридимита, диопсида и кристобалита. Кристаллическая составляющая отвечает за прочность образцов.

*-тридимит; х-диопсид; о-кристобалит

Рис. 3. Дифрактограмма обожженного материала

Таким образом, проведенные исследования показали возможность получения из отходов кислотной переработки нефелина гранулированного теплоизоляционного материала с улучшенными техническими характеристиками. Полученный пористый материал можно рекомендовать для использования в качестве сыпучего теплоизоляционного стенового материала, утеплителя чердачных перекрытий и кровель, наполнителя в композиционные материалы.

ЛИТЕРАТУРА
1. Антропогенное воздействие на природу Севера и его экологические последствия. Под ред. Ю.А.Израэля, Г.В.Калабина, В.В.Никонова. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1999. 313 с.
2. Тихомирова И.Н., Скорина Т.В. Теплоизоляционные материалы на основе кремнеземсодержащего сырья // Строительные материалы. 2008. №10. С.58-60.
3. Кудяков А.И., Иванов М.Ю. Зернистый теплоизоляционный материал на основе модифицированного жидкого стекла из микрокремнезема // Строительные материалы. 2004. № 11. С.12.
4. Кудяков А.И., Свергунова Н.А. Зернистый пористый материал из микрокремнезема //Строительные материалы. 2006. №6. С.86-87.

Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренц-региона