Нові технології фосфогіпсового в'яжучого з відвального фосфогіпсу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стаття з теми:

Нові технології фосфогіпсового в'яжучого з відвального фосфогіпсу

Дворкін Л.Й., д.т.н., професор, Мироненко А.В., к.т.н, доцент, Поліщук-Герасимчук Т.О., аспірант (Національний університет водного господарства і природокористування, м. Рівне)

Розглядаються способи нейтралізації відвального фосфогіпсу, технологічні параметри отримання гіпсового в'яжучого із фосфогіпсу, способи зниження водогіпсового відношення фосфогіпсу та вплив на властивості фосфогіпсового в'яжучого комплексних добавок-гіперпластифікаторів. Показано результати експериментальних досліджень.

Перспективним напрямком задоволення зростаючого попиту сучасного ринку будівельних матеріалів у гіпсових в'яжучих є виготовлення гіпсових в'яжучих з існуючих відвалів великотоннажного відходу виробництва мінеральних добрив - фосфогіпсу (ФГ). Щорічне накопичення ФГ в Україні протягом багатьох років в декілька разів перевищувало видобування природного гіпсового каменю. Так, у відвалах РПУ “Рівнеазот” вже накопичилось понад 14 млн. тонн фосфогіпсу-дигідрату, який до останнього часу не використовувався у виробництві в'яжучих речовин.

Наявність у ФГ значної кількості шкідливих домішок кислих речовин: залишків фосфорної і сірчаної кислот, сполук фтору та інших речовин, значно погіршує якість цього продукту, в якості сировини для гіпсових в'яжучих, а також наносить значну шкоду навколишньому середовищу при його тривалому зберіганні, викликає забруднення грунтів, води, повітря.

Існуючі численні технології переробки фосфогіпсу, як правило, зводяться до різних варіантів відмивки (репульпації) фосфогіпсу та нейтралізації його вапном або виготовлення виробів на його основі з використанням прес-фільтрування. Ці технологічні рішення передбачають використання громіздких, енергоємних та економічно невигідних способів переробки фосфогіпсу на в'яжучі матеріали та будівельні вироби і в ряді випадків здатні справити негативний вплив на навколишнє середовище.

Спостереження показали, що при багаторічному витримуванні ФГ у відвалах, суттєво знижується вміст водорозчинних кислотних домішок. Кількість водорозчинного Р2О5 у відвальному ФГ Рівненського РПУ „Азот” більш як в 10 раз менше, ніж свіжого ФГ табл.1.

Таблиця 1 - Хімічний аналіз ФГ Рівненського РПУ „Азот”

фосфогіпс в'яжучий гіперпластифікатор

Згідно ДСТУ Б В.2.7-2-93 відвальний ФГ Рівненського РПУ „Азот” можна віднести до кондиційного ФГ в якому вміст:

- сульфату кальцію, не менше 90 %;

- загальний вміст фосфатів (в перерахунку на Р2О5), не більше 1,5 %;

- водорозчинних фосфатів (в перерахунку на Р2О5), не більше 0,15 %;

- вміст фторидів (в перерахунку на F), не більше 0,4 %

Повна нейтралізація ФГ з переведенням кислотних домішок в фосфат кальцію можлива при його обробці вапном або іншими вапновміщуючими продуктами, наприклад портландцементом.

Вивчали ефект нейтралізації відвального ФГ вапняним молоком [1], виготовленим на основі негашеного вапна з вмістом СаО+MgO - 85 %, а також вапняно-карбонатного пилу, вловленого в електрофільтрах вапно-випалювальної печі з вмістом активного СаО-30-35 %. Для нейтралізації ФГ застосовували також цементну суспензію на основі портландцементу. Вміст добавок-нейтралізаторів змінювався в межах 1-3 % в перерахунку на суху речовину. Відвальний ФГ проходив попереднє подрібнення до крупності - менше 1 мм. Вплив добавок-нейтралізаторів на кислотність відвального ФГ приведені в табл.2.

Для повної нейтралізації ФГ, для забезпечення його достатньої однорідності, бажане витримування протягом 1-3 доби. Перед дегідратацією ФГ, необхідне його сушіння до залишкової вологості - 1-2%, температура сушіння - не повинна перевищувати 100 0С. Тривалість випалу була постійною і складала 2 години. Помел в'яжучого відбувався в лабораторному кульовому млині.

Для вибору технологічних параметрів виготовлення в'яжучого (дегідратації ФГ), виконано алгоритмізовані експерименти у відповідності з типовим планом В3 [3]. Умови планування експерименту наведені в табл.3.

Отримані результати дозволили одержати поліноміальні математематичні моделі міцності ФГ в'яжучого через 2 години і після висушування.

Отримані математичні моделі вихідних параметрів наведені нижче:

Таблиця 2 - Вплив добавок-нейтралізаторів на кислотність відвального ФГ

Таблиця 3

Умови планування експерименту

Rст2год = 3,1+0,5х1+0,4х2-0,3х3-0,6Х12-0,4х22-0,04х32-0,07х1х2+ +0,03х1х3+0,09х2х3 (1)

Rстсух = 5,9+0,3х1+0,4х2-0,4х3-0,4х12-0,3х22-0,09х32+0,07х1х2+ +0,04х1х3-0,08х2х3 (2)

Як видно з графіків рис.1, оптимальна температура випалу ФГ на напівгідратне в'яжуче складає 150-160 0С [3]. Оптимальний вміст вапна в перерахунку на активне СаО складає 2-3 %. З підвищенням тонкості помелу - міцність зростає при незначному збільшенні водопотреби. При оптимальних параметрах випалу і достатній тонкості помелу, можливе отримання ФГВ (фосфогіпсові в'яжуче) марок ГВФ-2, ГВФ-3 згідно ДСТУ Б В.2.7-4-93.

При помелі ФГВ в кульовому млині відбувається інтенсивне агрегування частинок в'яжучого і його налипання на мелючи тіла, тому для помелу ФГВ бажано застосовувати апарати в яких процес подрібнення відбувається без суттєвого накопичення електростатичних зарядів. Такими агрегатами можуть бути бігуни, дезінтегратори та ін. Особливістю ФГВ, отриманого в апаратах, що сполучаються з атмосферою, є підвищена водопотреба. Це можна пояснити високою питомою поверхнею частинок в-напівгідрату, що утворюється, а також значним вмістом розчинного ангідриту. Тому для підвищення міцності ФГВ ефективне введення добавок-суперпластифікаторів.

Досліджений вплив температури випалу і водогіпсового відношення (В/Г) на міцність ФГВ. Результати дослідів наведені на рис. 1, 2 як видно з отриманих даних, зменшення В/Г з 0,7 до 0,5 дозволяє суттєво збільшити міцність ФГ. Залежність ФГ від В/Г можна апроксимувати формулою:

R=0,63

Таким чином, проведені експерименти показали, що для нейтралізації ФГ можна використовувати вапно та портландцемент в кількості 2-3 %, оптимальна температура випалу ФГ - 150-160 0С, тривалість випалу становить 3 години, за таких умов можливе отримання ФГВ марок Г-2, Г-3.

Дослідження показали, що найбільш ефективною добавок для гіпсових в'яжучих є суміш полікарбоксилатного ефіру і вапна у оптимальному співвідношенні. Для встановлення оптимального вмісту добавки полікарбоксилатного пластифікатора Melflux, були проведені досліди з математичним плануванням експерименту. Перемішування тіста в'яжучого здійснювали по ДСТУ Б В.2.7-82-99 за допомогою ручної мішалки з трьох петель. Умови планування експерименту приведені в табл. 4.

Статистична обробка отриманих результатів дозволила отримати рівняння регресії, яке приведене нижче, де у - міцність ФГВ на стиск через 2 години, МПа:

у=4,61+0,33х1+0,31х2-0,10х12+0,47х22-0,27х1х2, (1)

Аналіз отриманого рівняння регресії рис. 3-4 показує, що оптимальна кількість поліфункціонального модифікатора ФГВ, вміщуючого СаО+ Melflux, знаходиться в межах 2,1-3,7 %, при відношенні Melflux/СаО=0,19-0,31 %. При цьому із зменшенням сумарного вмісту вапна і добавки Melflux дещо зростає їх оптимальне масове відношення (див. рис.3).

Рис. 2 - Залежність міцності на стиск ФГ R_ст (МПа) у віці 2 години від В/Г

Таблиця 4 - Матриця планування експерименту

Суттєве значення має спосіб приготування тіста в'яжучого. Просте перемішування, згідно з вимогами ДСТУ Б В.2.7-82-99, тобто отримання пластичного тіста за 30 секунд за допомогою ручної мішалки з трьох петель (ГОСТ 23789-79) дозволяє отримати пластичне тісто з розпливом по Суттарду 180 мм при значеннях В/Г ? 0,37. Міцність таких в'яжучих через 2 години твердіння не перевищує 5 … 6 МПа (див. табл. 2.5, 3.1, 3.3). Наші дослідження показали, що при використанні комплексної добавки, що складається з суміші гашеного, або негашеного вапна (2…3% від маси в'яжучого) з поліакрилатними або полікарбоксилатними ефірами (відповідно суперпластифікатор типу Dynamon або типу Melflux у кількості 0,6…0,7%) при інтенсивному перемішуванні можна отримати високоміцні фосфогіпсові в'яжучі при В/Г ? 0,35 з міцністю 12…16 МПа. Таке інтенсивне перемішування доцільно здійснювати на змішувачах бігункового типу протягом 2…3 хвилин. Невеликі порції в'яжучого для лабораторних досліджень можна перемішувати вручну протягом 3…6 хв.

Отримане тісто фосфогіпсового в'яжучого характеризується розпливом по Суттарду 180…220 мм і строками тужавлення 18…25 хвилин.

Рис. 3 - Залежність міцності на стиск ФГВ через 2 год (R_ст, МПа) від вмісту комплексного модифікатора Melflux/СаО (%)

Рис. 4 - Залежність міцності на стиск ФГВ через 2 год (R_ст, МПа) від сукупності комплексного модифікатора СаО+Melflux (%)

В'яжучі на основі фосфогіпсу досліджували за методиками, наведеними вище. Варіювали вміст вапна (2 … 3%) і гіперпластифікаторів Dynamon SP3 та Melflux 1641F. Результати дослідів наведені в табл. 5.

Таблиця 5 - Вплив добавок-гіперпластифікаторів на міцність ФГВ

В цілому, отримані результати випробувань гіперпластифікованого фосфогіпсового в'яжучого (табл. 5) подібні до гіперпластифікованого гіпсового в'яжучого з деяким зменшенням міцності на 1 … 2 МПа. Але, як показали дослідження, важливою особливістю гіперпластифікованих в'яжучих на основі фосфогіпсу є чітко виражена тенденція до зростання міцності у часі протягом 2…3 діб на 10…20%. Таким чином зразки гіперпластифікованих в'яжучих на основі фосфогіпсу досягають з часом тієї ж міцності, що і зразки на гіперпластифікованому гіпсі і не поступаються за властивостями гіпсу б-модифікації..

Література

1. В.В. Иваницкий, П.В. Классен, А.А. Новиков и др. Фосфогипс и его использования. - М.: Химия, 1990. - 224 с.

2. С.Н. Стонис, А.И. Кукляускас, М.М. Бачаускене. Особенности получения строительного гипса из фосфогипса. // Строительные материалы, 1980. №2. - 14 с.

3. Л.И. Дворкин, И.А. Пашков. Строительные материалы из отходов промышленности. Киев: Вища школа, 1989. - 119 с.

4. Ю.Г. Мещеряков, О.И. Иванов, С.А. Опекунов. Технология получения вяжущего из фосфогипса. // Строительные материалы, 1992. №4. - 9 с.

5. П.Ф. Гордашевский, А.В. Долгарев. Производство гипсовых вяжущих из гипсосодержащих отходов. - М.: Стройиздат, 1983. -36 с.

6. П.Г. Василик, И.В. Голубев. Поликарбоксилатные системы в самовыравниющихся составах. // Строительные материалы, 2006. № 3. -27 с.

7. Рекомендация по применению методов математического планирования эксперимента в технологии бетона. - М.: НИИЖБ, 1982. - 27с.

Размещено на Allbest.ru