X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В производстве строительных материалов и изделий, как и в любом другом производстве, необходимо с одной стороны стремиться к повышению качества продукта или изделий и объемов производства, а с другой стороны уделять внимание снижению энерго- и ресурсоемкости производства. Решение этих задач заключается в разработке новых и совершенствовании существующих составов, технологий и оборудования для производства строительных материалов, направленных на повышение качества продукции и производительности технологических процессов. При этом снижения энерго- и ресурсоемкости производства можно также достичь за счет внедрения и развития малоотходных технологий, использования природных ресурсов низкого качества и вторичных ресурсов.

В данной работе предлагается производство строительной керамики на основе малопластичной глины по полусухому способу с использованием гальваношлама в качестве модифицирующей добавки.

Использование малопластичных глин позволит снизить себестоимость производства, так как стоимость таких глин ниже из-за того, что качество изделий, получаемых на их основе ниже, чем у изделий, изготавливаемых на основе пластичных и высокопластичных глин. В связи с этим актуальной задачей будет поиск путей повышения качества изделий на основе малопластичных глин.

Применение полусухого способа с одной стороны несколько снизит производительность стадии формования изделий, однако с другой стороны этот способ позволяет исключить стадию сушки, что уменьшает длительность и энергоемкость производственного цикла в целом.

Использование гальваношлама позволяет дополнительно снизить расходы на сырьевые материалы, так как в большинстве случаев предприятия, являющиеся источником данного вида отходов, платят за его утилизацию. Кроме, того гальваношлам является токсичным отходом и его применение в производстве строительных материалов на сегодняшний день является наиболее распространенным способом утилизации, позволяющим избежать его накопления и негативного воздействия на окружающую среду.

В данной работе предусматривается использование сырьевых материалов Владимирской области. В качестве малопластичной глины использовалась глина Суворотского месторождения, содержащая в своем составе следующие соединения (в масс. %): SiO₂ = 67,5; Al₂O₃ = 10,75; Fe₂O₃ = 5,85; CaO = 2,8; MgO = 1,7; K₂O = 2,4; Na₂O = 0,7. Данная глина отличается низким содержанием оксида алюминия, обладает числом пластичности 5,2 и относится к малопластичным (по ГОСТ 9169-75) [1].

В состав гальванического входили следующие соединения (в масс. %): Zn(OH)₂ ≈ 11,3%; SiO₂ ≈ 7,08%; Ca(OH)₂ ≈ 16,52%; Cr(OH)₃ ≈ 9,31%; (Fe²⁺)Cr_2S4 ≈ 4,17%; СаСО₃ ≈ 40,25 %; CaO ≈ 3,45%; ZnO ≈ 2,41%; Cu(OH)₂ ≈ 2,38%; Ni(OH)₂ ≈ 2,62%; Mn(OH)₂ ≈ 0,64%; Pb(OH)₂ ≈ 0,14% [2].

Так как гальванический шлам является токсичным отходом, то для обеспечения экологической безопасности материала, получаемого с его использованием, в состав шихты дополнительно вводилась борная кислота, которая приводит к образованию стекловидной фазы при обжиге, что повышает плотность и прочность керамики [3, 4], а также затрудняет миграцию тяжелых металлов при использовании гальваношламов [1, 2, 5]. В данной работе применялась борная кислота марки В 2-го сорта (ГОСТ 18704-78).

Образцы керамического материала получали при формовочной влажности шихты 8 масс. %, удельном давлении прессования 12 МПа и температуре обжига 1050 ^оС. У полученных образцов по стандартным для керамических материалов методикам определялись прочность на изгиб (σ_изг, МПа), морозостойкость (М, циклы), водопоглощение (В, %) и пористость (П, %). Оценка экологической безопасности материала проводилась по методике определения смертности дафний Daphnia magna Straus под действием токсических веществ, присутствующих в водной вытяжке из исследуемых образцов по истечении 96 часов [6].

В связи с токсичностью самой борной кислоты (3 класс опасности) на первом этапе исследований получали образцы керамики без введения гальванического шлама с различным содержанием борной кислоты. В результате было установлено, что возможно получение экологически безопасного материала при добавлении до 5 мас. % борной кислоты в состав шихты. Так как борная кислота будет вводиться в состав гальванического шлама совместно с борной кислотой, было принято решение сократить количество борной кислоты до 2,5 мас. %.

На втором этапе исследований в состав шихты на основе указанной малопластичной глины с добавлением 2,5 мас. % борной кислоты вводили различное количество гальваношлама. Результаты определения свойств полученных образцов керамического материала представлены на рисунках 1 и 2.

Характер полученных зависимостей связан с тем, что во время обжига гидроксиды тяжелых металлов и карбонат кальция, содержащиеся в гальваношламе, разлагаются с образованием водяных паров и углекислого газа, что приводит к повышению пористости, а как следствие к повышению водопоглощения, снижению морозостойкости и прочности на изгиб. Борная кислота за счет образования стекловидной фазы снижает температуру спекания материала, а стекловидная фаза выступает в роли связующего между частицами керамики.

Рисунок 1. Влияние гальваношлама на морозостойкость и

прочность на изгиб разрабатываемого керамического материала

Рисунок 2. Влияние гальваношлама на пористость и водопоглощение

разрабатываемого керамического материала

Образующаяся стекловидная фаза повышает прочность и заполняет часть пустот в объеме материала, снижая пористость и водопоглощение.

При дополнительных исследованиях для всех составов, содержащих до 3 масс. % гальваношлама наблюдалась гибель менее 50 % дафний, что подтверждает экологическую безопасность разарабатываемого керамического материала. При содержании галбваношлама в составе шихты свыше 3 масс. % экологическая безопасность не обеспечивается и наблюдается дальнейшее снижение прочности на изгиб при повышении водопоглощения.

Таким образом, на основе малопластичной глины Суворотского месторождения Владимирской области с добавлением до 3 масс. % гальваношлама и 2,5 масс. % борной кислоты может быть получен экологически безопасный материал, который может быть рекомендован для внутренних отделочных работ, так как обладает достаточно низким водопоглощением, удовлетворительной прочностью на изгиб, но сравнительно невысокой морозостойкостью. Производство разработанного керамического материала будет способствовать решению проблемы утилизации гальваношламов, которые являются токсичными отходами и представляют опасность для окружающей среды, а значит их утилизация является актуальной задачей.

Список литературы

1. Воробьева А.А., Виткалова И.А., Торлова А.С., Пикалов Е.С., Панов Ю.Т. Оптимизация состава шихты для производства строительной керамики с использованием гальванического шлама и стекольного боя // Бутлеровские сообщения. 2016. Т. 47. № 8. С. 93-98.

2. Сухарникова М.А., Пикалов Е.С. Исследование возможности производства керамического кирпича на основе малопластичной глины с добавлением гальванического шлама. Успехи современного естествознания. 2015. № 10. С.44-47 – URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35648

3. Абдрахимов В.З., Колпаков А.В. Инновационные направления использования кальцийсодержащего нанотехногенного сырья: осадок отхода сточных вод, отхода пыли-уноса асфальтобетонных заводов, шлама от водоочистки воды и гальванического шлама в производстве кирпича // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2013. №8(656). С.41-46.

4. Марьин В.К., Кузнецов Ю.С., Новокрещенова С.Ю. Опыт утилизации промышленных отходов в Пензенской области // Экология и промышленность России. 2005. №5. С. 28-33.

5. Сухарникова М.А., Пикалов Е.С. Санитарно-гигиеническая оценка керамического кирпича с добавлением гальванического шлама // Успехи современного естествознания. 2016. № 1-0. С. 31-34 – URL: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35736

6. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний. Федеральный реестр ФР.1.39.2007.03222 // Алексей Кощеев. Просто и доступно о сложном. URL: http://www.koshcheev.ru/wp-content/uploads/2012/07/Petrik-FR-1-39-2007-03222.pdf

Код для цитирования: Скопировать