Влияние модифицирующих добавок на реологические свойства суспензий хвостов обогащения железистых кварцитов

УДК 691.31:678.06

Г. И. Тарасова, С.В. Свергузова, И. Г. Шайхиев, Д. В. Сапронов, Л. А. Порожнюк

ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ДОБАВОК НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

СУСПЕНЗИЙ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ КВАРЦИТОВ

Ключевые слова: хвосты обогащения железистых кварцитов (ХОЖК), модифицирующая добавка, реологические свойства.

В работе представлены экспериментальные исследования по влиянию модифицирующей добавки -силиката натрия на реологические свойства суспензий хвостов обогащения железистых кварцитов (ХОЖК) - отхода горно-обогатительных предприятий металлургического комплекса. Определено, что значительное разжижение суспензии происходит при концентрации Na2SiO3, равной 1%.

Key words: tailings ferruginous quartzite (TFQ), modifying agent, rheological properties.

The paper presents experimental researches about modifying additive component- sodium silicate influence to rheological properties of tailing ferruginous quartzites suspension- the waste of metallurgical complex. Was defined that the most valuable suspension liquation occurs at the Na2SiO3 concentration of 1%

Введение

Концентрированные суспензии, встречающиеся при производстве строительных материалов: композиционные вяжущие, кладочные растворы, шла-мы, шликеры, цементные пасты и другие обладают структурой, которая возникает как результат взаимодействия частиц дисперсной фазы между собой и во всем объеме системы.

Появление структуры и особенности поведения системы измеряют реологическими методами. Важнейшей характеристикой концентрированных суспензий является реологическая кривая - зависимость напряжения сдвига (т) от скорости деформации (У). Основными характеристиками реологической кривой являются статическое напряжение сдвига (т.), предельное динамическое напряжение сдвига (т0) и пластическая вязкость (ппл):

Ппл = Т / у

Статическое напряжение сдвига - это величина, которая характеризует разрушение твёрдообразной структуры. Величина предельного динамического напряжения сдвига характеризует прочность коагу-ляционной структуры суспензии, силу взаимодействия частиц суспензий друг с другом и, в конечном счете, определяет количество дисперсионной среды (обычно воды) для получения более текучих - подвижных суспензий. Пластическая вязкость определяется перемещением частиц суспензий относительно друг друга и взаимодействием частица - среда.

Целью работы являлось исследование влияния модифицирующих добавок на реологические свойства суспензий хвостов обогащения железистых кварцитов (ХОЖК). Последние ранее исследовались нами в качестве пигментов-наполнителей в качестве компонентов лакокрасочных композиций [1-7].

Методики проведения экспериментов

Влияние модифицирующих добавок на реологические свойства суспензий ХОЖК - отходов горнообогатительных предприятий металлургического комплекса изучались на приборе марки «Реотест-2» с коаксиальными цилиндрами. Названный прибор предназначен, как для определения динамической

вязкости ньютоновских жидкостей, так и для проведения более точных реологических исследований неньютоновских жидкостей. С его помощью можно определять такие параметры, как структурную вязкость, дилатансию, пластичность (предел текучести), тиксотропию.

Для проведения эксперимента готовились суспензии ХОЖК путем смешивания с водой или водным раствором модификатора силикатным клеем (Na2SiO3) в заданной пропорции. Суспензии ХОЖК в лаборатории получали диспергированием в водопроводной воде в гомогенизаторе типа Т-302 с лопастной мешалкой в стакане емкостью 250 см3. Перемешивание производилось в течение 10 мин. Подготовленную таким образом смесь заливали в пространство между цилиндрами, расположенными соосно, включали ротационный вискозиметр сначала на минимальную частоту вращения и записывали установившийся угол закручивания. Затем повторяли процедуру при других скоростях. Замеры проводили при возрастающей скорости вращения ротора с последующим её снижением. В исследованиях градиент скорости вращения ротора находился в пределах 1...240 с-1.

Свойства получаемых суспензий ХОЖК до и после обработки модификаторами оценивали по текучести, пластической вязкости, устойчивости к осаждению (суточному отстою), смачиваемости (по cos©).

Седиментационную устойчивость характеризовали по величине отстоя глинистых суспензий за 24 часа. Суточный отстой суспензии определяли с помощью мерного цилиндра емкостью 100 см3. Пробу заливали в мерный цилиндр до метки 100 см3 и оставляли на сутки в покое. Через 24 часа визуально наблюдали отстой - высоту столба суспензии (h) в % от общего объема.

Величина отстоя рассчитывается по формуле:

T = V1 / V0 • 100%

где Vj - объем выделившейся воды, м3; V0 - общий объем суспензии, м3.

Текучесть или условную вязкость (Т) суспензий измеряли с помощью полевого вискозиметра марки

«СПВ-5». Определяли время истечения 100 см3 суспензии за 30 секунд и за 30 минут после заливки в вискозиметр. Отношение текучести суспензии за 30 мин к текучести за 30 сек характеризует коэффициент загустеваемости Кз (тиксотропию).

Степень олеофильности модифицированных ХОЖК оценивалась по краевому углу смачивания 0 на границе раздела фаз твердое - вода - масло (тв - в - м). Угол смачивания измеряли по следующей методике. Пробу модифицированного ХОЖК, высушивали до постоянного веса при t = 105 °С, образец прессовали стеклом под некоторым давлением, затем помещали в кювету, заполненную дистиллированной водой. С помощью микропипетки наносили капли масла на поверхность модифицированного образца, находящейся на границе раздела фаз. Диаметр капель во всех случаях составлял 0,8-1 мм. Краевой угол смачивания на межфазной поверхности тв - в - м определялся с помощью микрометра марки «МИР-2», а cos 0 рассчитывали по формуле:

cos 0 = 1 - 2h / dmax

где dmax - максимальный диаметр капли; h - высота капли.

Экспериментальная часть

В таблице 1 представлены результаты экспериментальных исследований.

Таблица 1 - Влияние модификатора Ма^Ю3 на свойства суспензий ХОЖК при влажности 40 %

Добавка Время истечения Коэффи- рН Смачи-

масс. % 100 мл суспензии циент вание,

30 с 30 мин загустева-ния Cos 0

а)

0 33 35,5 1,08 8,5 - 0,51

0,01 26,4 27,8 1,05 8,6 - 0,57

0,02 20,3 20,5 1,01 8,5 - 0,58

0,1 16,1 16,3 1,01 8,3 -0,59

0,3 10,2 10,4 1,02 8,1 -0,6

0,5 8,3 8,4 1,01 8,0 -0,61

0,6 8,8 9,0 1,02 7,5 - 0,62

0,8 14,3 15,0 1,04 7,2 -0, 6

б)

0 28,3 28,9 1,01 7,8 - 0,41

0,01 26,5 27,0 1,02 7,5 -0,44

0,02 25,5 25,8 1,1 7,3 - 0,50

0,1 12,3 12,5 1,01 7,2 - 0,55

0,3 9,8 9,9 1,0 7,2 - 0,58

0,5 8,9 8,9 1,0 7,2 -0,59

0,6 10,1 10,2 1,01 7,0 -0,61

0,8 13,4 13,9 1,03 6,8 - 0,62

ХОЖК*- исходные хвосты обогащения железистых кварцитов, термообработанные при температуре 105° С; ТХОЖК - термооб-работанные ХОЖК при температуре 900° С.

Анализируя данные таблицы 1, приходим к выводу о том, что при введении добавки №^Ю3 в интервале от 0,1-0,6 % происходит разжижение суспензии, текучесть увеличивается, при этом рН изменяется незначительно.

При увеличении добавки свыше 0,6 % текучесть падает и растет коэффициент загустевания. Следовательно, для разжижения суспензий ХОЖК с помощью №^Ю3 необходимо контролировать интервал концентраций.

По результатам измерений и расчётов строился график в координатах «напряжение сдвига - градиент скорости сдвига», по которому можно определять предельное напряжение сдвига и пластическую вязкость.

Для нахождения реологических параметров

где х - сдвигающее напряжение, Па; г - постоянная прибора; а - отсчитываемое значение по шкале прибора, град.

Затем строились графики зависимости

du/dr = Дт),

где du/dr - скорость сдвига.

Общий вид графических зависимостей приведен на рисунке 1.

йъ

<я

L5 <Н 51 117 ~:П=

Рис. 1 - Зависимость скорости сдвига ^иМг) от напряжения сдвига (т) для суспензий ХОЖК с разной концентрацией Na2SiO3: 1 - 0,5; 2 - 1; 3 -2; 4 - 3 % от объема суспензии

Отрезок на оси ординат на рисунке 1 равен предельному динамическому напряжению сдвига т0, пластическую вязкость ппл определяли как тангенс угла наклона прямой к оси градиента скорости сдвига. В качестве примера на рисунке 2 представлены зависимости пластической вязкости суспензий ХОЖК от концентрации №^Ю3.

о -I-1-1-1-1-1-1-

0,2 0,5 0,8 1 2 3 3,5

концентр ация Na2Si03, %

Рис. 2 - Зависимость пластической вязкости суспензий ХОЖК от концентрации Ма^Ю3: 1 -ХОЖК

Как видно из полученных данных, исходные суспензии представляют собой вязкопластичные тела, с достаточно высокими значениями предельного напряжения сдвига и зависимостью эффективной пластической вязкости от скорости деформации, присущей для сильно структурированных систем. Течение таких тел наиболее полно описывается уравнением Оствальда:

т = к •у"

где т - напряжение сдвига, Па; у - скорость деформации, с-1; к и п -коэффициенты.

По мере увеличения концентрации №^Ю3 характер реологического течения принципиально меняется (рис. 3).

Рис. 3 - Зависимость напряжения сдвига т от скорости деформации У (с1) СЧ^юз - концентрация модификатора, мас.%

В области средних добавок №^Ю3 (от 0,5 до 0,8 %) наблюдается увеличение линейной части кривых и их течение описывается уравнением Бин-гама:

т = то + Пг

где т0 - предельное напряжение сдвига, Па; ппл- пластическая вязкость, Па-с

При увеличении добавки №^Ю3 до 0,8 % влияние скорости деформации на изменение напряжения сдвига ослабевает и, практически не изменяется при добавке от 1 до 3 % (рис. 3). Пластическая вязкость суспензии (рис. 2) вначале резко уменьшается при повышении концентрации №^Ю3 от 0,2 до 1 %, достигая определенного минимального значения, а затем при добавке модификатора от 1 до 3 % не изменяется и даже возрастает для суспензии ХОЖК,

термически модифицированных при температуре 1000° С (зависимость 3 на рис. 2).

Визуально наблюдается расслаивание суспензии с выделением дисперсионной среды (воды), вследствие разрушения структуры. После фильтрования и высушивания модифицированного силикатом натрия ХОЖК проявляются его гидрофобные свойства, краевой угол смачивания находится в пределах -0,61 < cos© < -0,57 .

Следует отметить, что в области добавок Na2SiO3 от 0,5 до 1 % происходит разжижение суспензий, а свыше 1 % происходит процесс гидрофо-бизации поверхности частиц ХОЖК.

Такой модифицированный продукт на основе ХОЖК целесообразно использовать в производстве безводных формовочных смесей, в качестве активных наполнителей полимеров и резин, силикатных красок, для смазочно-охлаждающих жидкостей и других.

Заключение

Таким образом, анализируя полученные экспериментальные данные, можно сделать выводы, что значительное разжижение суспензии происходит при концентрации Na2SiO3, равной 1%, а полученные составы на их основе можно рекомендовать для изготовления силикатной краски [8].

Статья подготовлена в рамках гранта РФФИ № 14-41-08054

Литература

1. С.В. Свергузова, И.В. Старостина, Г.И. Тарасова, Л.В. Денисова, А.В. Четвериков, Вестник технологического университета, 19, 6, 74-76 (2016). .

2. С.В. Свергузова, И.В. Старостина, Ж.А. Сапронова, Ю.И. Солопов, А.В. Четвериков, Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 6, 197-201 (2016).

3. С.В. Свергузова, Г.И. Тарасова, ,И.В. Старостина, М.Н. Спирин, Фундаментальные исследования, 12-1, 4450 (2014).

4. ,И.В. Старостина, С.В. Свергузова, Г.И. Тарасова, М.Ю. Федорина, Фундаментальные исследования, 12-1, 57-62 (2014).

5. С.В. Свергузова, Г.И. Тарасова, Строительные материалы, 6, 72-73 (2008).

6. Г.И. Тарасова, Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, 2, 128132 (2012).

7. С.В. Свергузова, И.В. Старостина, Г.И. Тарасова, К.И. Шайхиева, А.А. Внуков, Вестник технологического университета, 18, 6, 256-258 (2015).

8. Пат. 2540434 РФ (2015).

© Г. И. Тарасова - д.т.н., доц. каф. промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова; С. В. Свергузова - д.т.н., профессор, зав. кафедрой промышленной экологии того же вуза, pe@intbel.ru; Д. В. Сапронов - асп. той же кафедры; Л. А. Порожнюк - к.х.н., доц. той же кафедры; И. Г. Шайхиев - д.т.н., зав. каф. инженерной экологии КНИТУ.

© G. I. Tarasova - PhD, full professor of Shukhov's Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra; S. V. Sver-guzova - PhD, professor, head of Shukhov's Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra, pe@intbel.ru, , D. V. Sapronov - postgraduate student of Shukhov's Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra; L. A. Porozhnyuk - PhD, professor of Shukhov's Belgorod State Technological University industrial ecology cathedra; I. G. Shaik-hiev - PhD, Head of the Department of Environmental Engineering, Kazan National Research Technological University.