Технология кристаллогидратов метасиликата натрия из диатомита Инзенского месторождения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.01, кандидат технических наук Филиппович, Елена Николаевна

• Филиппович, Елена Николаевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Филиппович, Елена Николаевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. Обзор литературы

1.1 Водные растворы силикатов натрия

1.1.1 Физико-химические свойства растворов силикатов натрия

1.1.2 Способы получения растворов силикатов натрия

1.2 Свойства системы №20-8Ю2-Н

1.3 Кристаллические метасиликаты натрия

1.4 Промышленное получение метасиликатов натрия

1.5 Кремнеземистые аморфные породы

ГЛАВА II. Характеристика объектов и методов исследования

2.1 Объекты исследования

2.2 Методы исследования

2.2.1 Методика получения кристаллогидратов метасиликата натрия из диатомита Инзенского месторождения

2.2.2 Методы исследования сырья, промежуточных и целевых продуктов

2.2.3 Методы исследования покрытий на основе кристаллогидратов метасиликата натрия и нерастворившегося остатка диатомита

2.2.4 Методы исследования влияния кристаллогидратов метасиликата натрия на технологические свойства глин

ГЛАВА III. Переработка диатомита Инзенского месторождения в кристаллогидраты метасиликата натрия

3.1 Подбор условий термической обработки Инзенского диатомита

3.2 Подбор условий щелочной обработки Инзенского диатомита

3.3 Получение кристаллогидратов с меньшим содержанием воды

ГЛАВА VI. Разработка технологии переработки диатомита Инзенского месторождения в кристаллогидраты метасиликата натрия

4.1 Основные стадии и оборудование для переработки диатомита Инзенского месторождения в кристаллогидраты метасиликата натрия

4.2 Технологическая схема переработки диатомита Инзенского месторождения в кристаллогидраты метасиликата натрия

4.3 Расчет материального баланса переработки диатомита Инзенского месторождения в кристаллогидраты метасиликата натрия

ГЛАВА V. Применение кристаллогидратов метасиликата натрия и нерастворившегося остатка Инзенского диатомита

5.1 Влияние кристаллогидратов метасиликата натрия и нерастворившегося остатка на свойства покрытий

5.2 Влияние кристаллогидратов метасиликата натрия на свойства керамических изделий

5.3 Другие области применил кристаллогидратов метасиликата натрия 115 ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология кристаллогидратов метасиликата натрия из диатомита Инзенского месторождения»

Актуальность темы

В настоящее время очень многие отрасли техники и промышленности потребляют значительные количества щелочных силикатов - продуктов многоцелевого назначения, необходимых для прогрессивного развития многих отраслей промышленности, таких как машиностроительное производство (в качестве связующего для изготовления форм и стержней); химическая и нефтехимическая промышленность (для производства катализаторов, белой сажи, цеолитов, золя, кремнекислоты, силикагеля, синтетических моющих средств и крекинга нефти т.д.); производство строительных материалов (бетонных конструкций и изделий, для укрепления грунтов при строительстве дорог, оснований под фундаменты и т.д.); лакокрасочная промышленность (в качестве пленкообразователя в составе силикатных красок, антикоррозионных грунтов) и т.п. Обычно силикаты натрия используются в виде растворов (жидких стекол).

Применение жидких стекол требует отдельного их приобретения, раздельного хранения с прочими компонентами вследствие высокой химической активности; довольно часто жидкие стекла необходимо предварительно разбавлять водой до определенной плотности. Во многих технологических процессах силикаты натрия удобнее использовать не в виде растворов, а в виде твердых порошкообразных или гранулированных кристаллогидратов, содержащих либо кристаллизационную, либо структурно связанную воду, и способных растворяться в воде достаточно быстро при обычных условиях.

При организации промышленного производства кристаллогидратов силикатов натрия легко решается вопрос более широкого их применения в новой технике, промышленности и строительстве. Учитывая ряд проблем, которые испытывают потребители при хранении и дозировке силикатных растворов, целесообразен их переход на кристаллический продукт, который, как следует из зарубежного опыта, наиболее приемлем для некоторых новых областей применения. Принимая во внимание, что объемы производства продукции на силикатной основе в различных странах постоянно растут, потребность в кристаллических силикатах натрия будет неуклонно возрастать.

Основным способом получения кристаллогидратов метасиликата натрия, реализованным в промышленных масштабах, является кристаллизация из стандартного жидкого стекла с добавлением гидроксида натрия. В свою очередь, производство стандартного жидкого стекла связано с большими материальными и энергетическими затратами (сплавление высококачественного кремнеземсодержащего сырья со щелочным компонентом при высоких температурах и растворение силикат-глыбы во вращающихся автоклавах). Как следствие, кристаллический продукт имеет высокую себестоимость.

Увеличение темпов потребления кристаллогидратов метасиликата натрия неизбежно приводит к поиску более рациональных способов их получения. Наиболее перспективным является выделение кристаллического продукта из растворов жидких стекол, полученных прямым растворением в щелочах кремнеземсодержащего сырья (гидротермальный метод). Этот способ имеет 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, к числу которого относятся диатомиты. По сравнению с остальными породами осадочного происхождения (опоками и трепелами) диатомиты имеют стабильный химико-минералогический состав, что дает возможность прогнозировать свойства получаемых из диатомитов силикатов, а высокая дисперсность и пористость частиц диатомита обуславливает его высокую реакционную способность.

Несмотря на хорошие показатели скорости растворения в щелочах при нагревании диатомитов и аналогичных пород, их использование в получении жидких стекол и кристаллогидратов метасиликата натрия в большинстве случаев становится неприемлимым 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 для производства данного продукта. В этой связи, выполнение настоящей диссертационной работы представляется актуальным.

Цель работы

Разработка технологии кристаллогидратов метасиликата натрия из диатомита Инзенского месторождения.

Достижение поставленной цели предполагает:

1. Оценку качества Инзенского диатомита как сырья для получения кристаллогидратов метасиликата натрия.

2. Изучение структурных и фазовых превращений в Инзенском диатомите в процессе его переработки в кристаллогидраты метасиликата натрия.

3. Определение оптимальных условий переработки Инзенского диатомита в кристаллогидраты метасиликата натрия.

4. Разработка технологического процесса переработки Инзенского диатомита в кристаллические девяти- и пятиводный метасиликаты натрия.

Научная новизна

Научную новизну диссертационной работы составляют следующие положения:

1. 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).

2. Определены оптимальные условия термической (1=520-550°С, т=60 мин) и щелочной обработки Инзенского диатомита (соотношение прокаленный диатомит:гидроксид натрия=1:1; 1=90°С, -с=90 мин, С№он=20%) для получения кристаллогидратов метасиликата натрия.

3. Определены условия кристаллизации метасиликатов натрия девятиводного (1<40°С, СКа28Юз::=10-45%, М = 0,65-0,90) и пятиводного (1=60-70°С, 0^03=53-58%, М - 0,80-0,90).

4. Установлена связь свойств диатомита Инзенского месторождения (химический и минеральный составы) с характеристиками получаемых силикатных растворов и кристаллогидратов метасиликатов натрия (силикатный модуль, цвет, выход готового продукта).

Практическая ценность работы

Из диатомита Инзенского месторождения синтезированы кристаллические девяти- и пятиводный метасиликаты натрия. Составлен материальный баланс переработки диатомита Инзенского месторождения в кристаллогидраты метасиликата натрия и определены расходные коэффициенты. Полученный кристаллический метасиликат натрия 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.

Апробация

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 диссертации имеются 8 публикаций, 3 из которых опубликованы в журнале «Вестник Казанского технологического университета», рекомендуемом ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 130 страницах и состоит из введения, аналитического обзора литературных источников, методической части, результатов исследований, технологической части, выводов и списка цитируемой литературы из 76 источников.

Заключение диссертации по теме «Технология неорганических веществ», Филиппович, Елена Николаевна

ВЫВОДЫ

1. Установлена взаимосвязь свойств диатомита (минеральный и химический составы) с характеристиками получаемых силикатных растворов и кристаллогидратов метасиликата натрия (силикатный модуль, содержание БЮг, выход готового продукта). В частности, с увеличением содержания аморфного кремнезема в диатомите увеличивается выход конечного продукта.

2. Описаны процессы структурных и фазовых превращений диатомита в процессе его термической обработки (выгорание органических примесей в интервале температур от 440°С до 550°С и т.п.) и щелочной обработки (при рассмотренной концентрации раствора гидроксида натрия 20% происходит максимальное извлечение аморфного кремнезема).

3. Определены оптимальные технологические условия термической (1=520-550°С, т=60 мин) и щелочной (^90°С, т=90 мин, СКаон=20%) обработки диатомита для получения кристаллических метасиликатов натрия. Установлены условия кристаллизации метасиликатов натрия девятиводного (К40°С, СЫа28юз=Ю^5%, М = 0,65-0,90) и пятиводного (1:=60-70оС, СКа28юз=53-58%, М = 0,80-0,90).

4. Разработана технология кристаллогидратов метасиликата натрия из диатомита Инзенского месторождения гидротермальным методом. Рассмотрено влияние метасиликатов натрия на свойства силикатных покрытий и свойства глинистого сырья. Применение пятиводного метасиликата натрия в качестве связующего взамен жидкого стекла в силикатных покрытиях увеличивает их стойкость к перепадам температур с 200°С до 20°С и улучшает адгезионные свойства на 1 балл (~30%). Показана возможность использования в качестве наполнителя нерастворившегося остатка диатомита взамен природных наполнителей (глины, известняк и т.п.). Введение метасиликата натрия пятиводного в глину Шеланговского месторождения в количестве 7% и в глину Ключищенского месторождения в количестве 1% способствует диспергации глинистых частиц, и, как следствие, улучшению пластических свойств, а также снижению температуры спекания керамического черепка до 800°С. Даны рекомендации по переработке нерастворившегося остатка диатомита.

5. Проведен сравнительный анализ зарубежного и отечественного опыта получения кристаллогидратов метасиликата натрия на основе кварцевых песков и других кремнеземсодержащих пород. Показана возможность использования кремнеземсодержащих пород в процессах получения кристаллогидратов метасиликата натрия и изучены физико-химические свойства и особенности силикатных растворов и кристаллогидратов метасиликата натрия. Гидротермальный метод является наиболее предпочтительным и рациональным при получении кристаллогидратов метасиликата натрия из диатомитов, так как не требуется использование стекловаренной печи и автоклавов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Филиппович, Елена Николаевна, 2011 год

1. Корнеев, Д.В. Растворимое и жидкое стекло / Д.В. Корнеев, В.В. Данилов. СПб.: Стройиздат, 1996. - 216 е.: ил.

2. Григорьев, П.Н. Растворимое стекло: получение, свойства и применение / П.Н. Григорьев, М.А. Матвеев. М.: Государственное издательство литературы по строительным материалам, 1956. - 443 е.: ил.

3. Жилин, А.И. Растворимое стекло, его свойства, получение, применение / А.И. Жилин. Свердловск: Ур.рабоч., 1939. - 100 с.

4. Матвеев, М.А. О строении жидких стекол / М.А. Матвеев, А.И. Рабухин // Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева. -1963.-№8 (2)-С. 205-211.

5. Айлер, Р. Коллоидная химия кремнезема и силикатов / Р. Айлер; пер.с англ. М.: Госстройиздат, 1959. - 288 е.: ил.

6. Толстогузов В.Б. Неорганические полимеры / В.Б. Толстогузов. М.: Наука, 1967.- 191 с.

7. Субботкин М.И. Кислотоупорные бетоны и растворы на основе жидкого стекла / М.И. Субботкин, Ю.С. Курицына. М.: Стройиздат, 1967. -135 с.

8. Рыжков, И.В. Физико-химические основы формирования свойств смесей с жидким стеклом / И.В. Рыжков, B.C. Толстой. Харьков: «Вища Школа», 1975.- 128 е.: ил.

9. Рыскин, Я.И. Водородная связь и структура гидросиликатов / Я.И. Рыскин, Г.И. Ставицкая. Ленинград: Наука, 1972. - 408 е.: ил.

10. Эйтель В. Физическая химия силикатов / В. Эйтель. М: Издательство иностранной литературы, 1962. - 1050 с.

11. Baker, C.L. The system sodium metasilicate water from 90°C to the ice point / C.L. Baker, L.R. Jue // The Journal of Physical Chemistry. - 1938. - №42 (2) -P.165- 169.

12. Мелконян Г. С. Гидротермальный способ приготовления комплексного стекольного сырья «Каназит» на основе горных пород и продуктов их переработки / Г.С. Мелконян. Ереван: Айастан, 1977. - 235 с.

13. Baker, C.L. Four crystalline hydrates of sodium metasilicate / C.L. Baker, H.T. Woodward, A. Pabst// The American Mineralogist. 1933. - №18 (5) - P.206-215.

14. Baker, C.L. The system Na20-Si02-H20 at 50, 70 and 90°C / C.L. Baker, L.R. Jue, J.H. Wills // The Journal of the American Chemical Society. 1950. - №72 (12) - P.5369 - 5382.

15. Baker, C.L. The system Na20-Si02-H20. Isoterms at 10 and 30°C / C.L. Baker // The Journal of Physical and Colloid Chemistry. 1950. - №54 (3) - P.299 -304.

16. Wills J.H. A review of the system Na20-Si02-H20 / J.H. Wills // The Journal of Physical and Colloid Chemistry. 1950. - №54 (3) - P.304 - 310.

17. Vail J.G. Soluble Silicates: V. 1,2. / J.G. Vail. New York: Knovel,1952.

18. Айлер, P. Химия кремнезема: растворимость, полимеризация, коллоидные и поверхностные свойства, биохимия: в 2 т. Т.1 / Р. Айлер; пер.с англ. М.: Мир, 1982. - 416 е.: ил.

19. Бабаян Г. Г. Физико-химические исследования водно-солевых систем, содержащих метасиликаты, гидроокиси и карбонаты натрия и калия: автореф. дис. .д-ра техн. наук/Г. Г. Бабаян. -М., 1965.-51с.

20. Куколев, Г.В. Химия кремния и физическая химия силикатов / Г.В. Куколев. М.: Высшая школа, 1966. - 463 е.: ил.

21. Гофман, У. Руководство по неорганическому синтезу: в 6 т. Т.З / У. Гофман и др.; пер. с нем. М.: Мир, 1985. - 392 е.: ил.

22. Пат. 101327932 КНР, МКИ C01B33/32. Method for producing sodium metasilicate pentahydrate with fluorine-containing silica gel / Dazeng Ming, Zhixiang Li, Jinjin Tang, Yuehua Yang, Ying Zhong; заявитель и патентообладатель

23. Yunnan Yuntianhua Internat Che. № 20081058778; заявл. 31.07.08; опубл. 24.12.08.

24. Пат. 1772608 КНР, МКИ C01B33/32. Method for producing sodium metasilicate pentahydrate with waste industrial silicone gel / Xue Yanhui; заявитель и патентообладатель Xue Yanhui. № 20051104264; заявл. 01.10.05; опубл. 17.05.06.

25. Пат. 432010 Тайвань, МКИ C01B33/32. Method to produce sodium metasilicate using fast cooling crystallization / Jang Suen-Lung; заявитель и патентообладатель Jang Suen-Lung. № 19970116662; заявл. 07.11.99; опубл. 01.05.01.

26. Пат. 1223232 КНР, МКИ C01B33/32. Method for making sodium metasilicate by utilizing quick cooling crystallization / Zhang Sunlong; заявитель и патентообладатель Zhang Sunlong. № 19981000021; заявл. 14.01.98; опубл. 21.07.99.

27. Пат. 1611860 СССР, МКИ C01B33/32. Способ получения метасиликата натрия / В. А. Афанасьева, Л.Я. Левитин; заявитель и патентообладатель Государственный научно-исследовательский институт стекла. -№ 4488128/23-26; заявл. 21.07.88; опубл. 07.12.90

28. Кремнистые породы СССР (диатомиты, опоки, трепелы, спонголиты, радиоляриты). Казань: Татарское книжное издательство, 1976. - 412 с.

29. Иванов С.Э. Диатомит и области его применения / С.Э. Иванов, A.B. Беляков //Стекло и керамика. 2008. - №2. - С. 18-21.

30. Гиллебранд В.Ф. Практическое руководство по неорганическому анализу / В.Ф. Гиллебранд, Г.Э. Лендель, Г.А. Брайт, Д.И. Гофман. М.: Химия, 1986.- 1111 с.

31. ГОСТ 13078-81. Стекло жидкое натриевое. Технические условия. -Взамен ГОСТ 13078-67; введ. 1981-01-01. -М.: Издательство стандартов, 1989. Юс.

32. ТУ 2145-001-52257004-2002. Метасиликат натрия пятиводный. -Введ. 2002-01-01. -М.: Издательство стандартов, 2003. 13 с.

33. ГОСТ 27037-86. Материалы лакокрасочные. Метод определения устойчивости к перепаду температур. Введ. 1986-21-10. - М.: Издательство стандартов, 1987. - 3 с.

34. ГОСТ 15140-78. Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии. Взамен ГОСТ 15140-69; введ. 1978-01-01. - М: Издательство стандартов, 1982. - 10 с.

35. Фотоседиментометр ФС 1: техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Казань: КГТУ, 2003. - 12 е.: ил.

36. ГОСТ 21216.1-93. Сырье глинистое. Метод определения пластичности. Взамен ГОСТ 21216.1-81; введ. 1995-01-01. - М.: Издательство стандартов, 1995. - 7 с.

37. Книгина, Г.И. Лабораторные работы по технологии строительной керамики и искусственных пористых заполнителей/ Г.И. Книгина. М.: Высшая школа, 1977. - 223 е.: ил.

38. Везенцев А.И. Энергосберегающий синтез нанодисперсного аморфного силиката для производства жидкого стекла / А.И. Везенцев, И.Д. Тарасова, E.JI. Проскурина, А.П. Полыиин //Стекло и керамика. 2008. - №8. -С. 3-7.

39. ГОСТ 27593-2005. Почвы. Термины и определения. Взамен ГОСТ 27593-88; введ. 1988-07-01. -М.: Стандартинформ, 2006. - 11 с.

40. Термогравиметрический метод анализа силикатных материалов: методические указания к выполнению лабораторной и самостоятельной работы / сост. Т.А. Хабас и др. Томский политехнический университет, Томск: Издательство ТПУ, 2007. - 20 с.

41. Дир У.А. Породообразующие минералы: в 5 т. / У.А. Дир, P.A. Хауи, Д.Ж. Зусман. -М.: Мир, 1966.

42. Кузнецов A.M. Технология вяжущих веществ и изделий из них / A.M. Кузнецов. -М.: Высшая школа, 1963. 455 е.: ил.

43. Позин М.Е. Физико-химические основы неорганической технологии. СПб.: Химия, 1993. - 440 е.: ил.

44. Эмануэль Н.М. Курс химической кинетики / Н.М. Эмануэль, Д.Г. Кнорре. М.: Высшая школа, 1984. - 463 е.: ил.

45. Вигдорчик Е.М. Математическое моделирование непрерывных процессов растворения / Е.М. Вигдорчик, А.Е. Шейнин. Л.: Химия, 1971. -248 е.: ил.

46. Розовский А.Я. Гетерогенные химические реакции (кинетика и макрокинетика)/ А.Я. Розовский. М.: Наука, 1980. - 324 е.: ил.

47. David L. Right. CRC handbook of chemistry and physics / David L. Right. Boca Raton: CRC Press, 1933. - 2624 p.

48. Dominic Marx. Proton transfer 200 Years after von Grotthuss: Insights from Ab Initio Simulations / Dominic Marx // European Journal of Chemical Physic and Physical Chemistry. 2006. - №7 (9) - P. 1848-1870.

49. Шаскольская М.П. Кристаллография / М.П. Шаскольская. М.: Высшая школа, 1986. - 376 е.: ил.

50. Козлова О.Г. Рост кристаллов / О.Г. Козлова. М: Издательство МГУ, 1967.-239 е.: ил.

51. Кузнецов В. Д. Кристаллы и кристаллизация / В.Д. Кузнецов М.: Гостехтеоретнздат, 1954. -411 е.: ил.

52. Матусевич, J1 .Н. Кристаллизация из растворов химической промышленности / JI.H. Матусевич. М.: Химия, 1968. - 304 е.: ил.

53. Бауман В.А. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций / В.А. Бауман и др. М.: Машиностроение, 1975.-351 е.: ил.

54. Гинзбург Д. Б. Печи и сушила силикатной промышленности / Д. Б. Гинзбург, С. Н. Деликишкин, Е. И. Ходоров, А. Ф. Чижский. М.: Промстройиздат, 1956. - 456с.: ил.

55. Лащинский A.A. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры / A.A. Лащинский, А.Р. Толчинский. Л: Машиностроение, 1970. -752 е.: ил.

56. Лукьяненко В.М. Промышленные центрифуги / В.М. Лукьяненко,

57. A.B. Таранец. М.: Химия, 1974. - 376 е.: ил.

58. Пат. 2110498 РФ, МКИ С04ВЗЗ/00. Керамическая масса для стеновых изделий, преимущественно кирпича керамического / М.В. Эйриш,

59. B.Н. Шекуров, Л.А. Чеченев, A.C. Лазько; заявитель и патентообладатель В.Н. Шекуров. -№ 96107359/03; заявл. 03.04.96; опубл. 10.05.98.

60. Козлов Г.А. К вопросу о получении щелочных силикатов из опал-кристобалитовых кремнистых пород для производства пористых заполнителей / Г.А. Козлов // Известия вузов. Строительство. 2009. - №11-12. - С. 20-23.

61. Матвеев М.А. Получение безобжиговых абразивных изделий на основе гидросиликатного стекла / М.А. Матвеев // Труды МХТИ. 1954. - №. 18,- С. 135-141.

62. Юшкевич М.О. Технология керамики / М.О. Юшкевич, М.И. Роговой. -М.: Стройиздат, 1969. 351 е.: ил.

63. Галабутская Е.А. Система глина-вода / Е.А. Галабутская. Львов: Львовская книжная типография Главполиграфиздата Министерства культуры УССР, 1968.-212 е.: ил.

64. Ковалев В.М. Технология производства синтетических моющих средств / В.М. Ковалев, Д.С.Петренко. М.: Химия, 1992. - 272 е.: ил

65. Пат. 2161643 РФ, МКИ С10М173/00. Смазочно-охлаждающее технологическое средство / Т.А. Мостовая; заявитель и патентообладатель Т.А. Мостовая. -№ 99102624/04; заявл. 04.02.99; опубл. 10.01.01.