Выбор оптимальных условий термической обработки диатомита Инзенского месторождения Ульяновской области для синтеза кристаллических силикатов натрия

Е. Н. Филиппович, А. И. Хацринов, А. В. Скворцов,

А. З. Сулейманова

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДИАТОМИТА ИНЗЕНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ УЛЬЯНОВСКОЙ ОБЛАСТИ

ДЛЯ СИНТЕЗА КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СИЛИКАТОВ НАТРИЯ

Ключевые слова: аморфный кремнезем, диатомит, термическая обработка, синтез, метасиликат натрия девятиводный. атогрИвт silica, diatomite, thermal treatment, synthesis,

sodium metasilicate nonahudrate.

Исследовано влияние условий термической обработки диатомита Ин-зенского месторождения Ульяновской области на его состав, а также на состав получаемых из него кристаллических силикатов натрия. На основании их химического анализа выбраны оптимальные условия термической обработки диатомита для синтеза кристаллических силикатов натрия.

Influence of heat treatment of Inzensky field diatomite of Ulyanovsk district on it’s composition and manufactured from it crystalline sodium silicates composition were investigated. On the basis of chemical analysis heat treatment optimal conditions of diatomite for crystalline sodium silicates synthesis were chosen.

В настоящее время многие отрасли промышленности потребляют значительные количества силикатных порошков, представляющих собой силикаты натрия, содержащие кристаллизационную или структурно-связанную воду. В связи с тем, что они являются более удобным продуктом для транспортировки, хранения и использования в технологическом процессе, это расширяет перспективу их применения, которое в Российской Федерации ограничено отсутствием отечественных производителей.

Одной из важнейших задач в развитии отраслей промышленности нашей страны является разработка и внедрение способов получения химических продуктов, имеющих широкое применение. Во всем мире гидратированные силикаты широко используются в производстве композиций строительного и нестроительного назначения, в медицине, нефтедобывающей промышленности и т.п.

Известно, что кристаллические силикаты натрия получаются путем растворения кремнезема в растворе гидроксида натрия с последующим выделением кристаллов при постепенном и последовательном концентрировании этих растворов. Сырьем для синтеза силикатов натрия гидротермальным методом являются горные породы осадочного происхождения (опоки, трепелы, диатомиты и т.п.), критериями пригодности которых являются максимальное содержание в них аморфного кремнезема и минимальное содержание примесей, которые способствуют появлению в кристаллических продуктах нерастворимых в воде соединений [1].

В качестве основного объекта исследования был выбран диатомит Инзенского месторождения Ульяновской области. Выбор данного месторождения диатомита обоснован высоким содержанием кремнезема в породе и дешевизной сырья. Химический состав Инзенского диатомита представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав Инзенского диатомита, %

ЭЮ2 ТІО2 АІ2О3 Рб2Оз РеО МпО2 СаО МдО ^О К2О Ю О 2 О. 3 О3 (О ППП*

81,08 0,32 5,63 2,67 0,01 0,01 0,68 0,87 0,19 1,14 0,08 0,05 7,5

Примечание: *ППП - потери массы при прокаливании.

В большинстве случаев в природных аморфных разновидностях кремнезема содержится довольно значительное количество воды, доходящее до 10% и выше. Помимо этого, в них иногда содержится довольно значительное количество органических веществ, которые при растворении кремнезема в растворах щелочей различной концентрации окрашивают растворы силикатов натрия в темно-бурый цвет, не пропадающий при последующей их переработке. Поэтому аморфный природный кремнезем рекомендуется предварительно прокаливать. Получающиеся при этом растворы силикатов натрия почти совершенно бесцветные [2].

Для изучения поведения диатомита Инзенского месторождения Ульяновской области при нагревании его подвергали совмещенному термическому анализу, результаты которого представлены на рис.1.

100 200 300 400 500 600 700 300 900 1000

Температура /°С

Рис. 1 - Термограмма диатомита Инзенского месторождения Ульяновской области: 1 - ТГ; 2 - Н2О; 3 - ДТГ; 4 - СО2

На термоаналитических кривых во всем интервале нагрева наблюдается потеря массы диатомита. Термогравиметрическая кривая (ТГ) показывает зависимость изменения массы вещества от температуры, а кривая дифференциального термогравиметрического анализа (ДТГ) регистрирует скорость изменения его массы во времени. В низкотемпературной области в два этапа 30-160°С и 160-365°С происходит удаление адсорбционной воды и части межслоевой воды глинистого минерала. При 365-505°С наблюдается удаление поровой воды, которая содержится в диатомите в силу структурных особенностей его строения, аморфизация и частичная перестройка кристаллической решетки глинистого минерала. При температуре выше 440°С происходит выгорание органических веществ, вы-

деляющихся в виде СО2, придающего растворам темно-бурую окраску. Эффект при температурах 560-580°С связаны с фазовым переходом в диатомите ß-кварца в а-кварц, а при 600-750°С - с потерями кристаллизационной воды монтмориллонитом. Потери массы при прокаливании навески диатомита при температуре 1000°С в инертной (аргоновой) среде составили 11,29%.

На основании полученных результатов, были выбраны следующие условия термообработки диатомита: температуры - 350, 450, 520, 720 и 1000°С; продолжительность - 30, 60, 90, 120, 180 минут. В обработанном диатомите определяли содержание нерастворимого в кислоте (HCl) кремнезема, а также при вышеуказанных условиях определяли потери при прокаливании. Результаты представлены на рис. 2 и рис.3.

Рис. 2 - Зависимость содержания нерастворимого в кислоте кремнезема от продолжительности и температуры тепловой обработки диатомита

Рис. 3 - Зависимость потерь массы при прокаливании диатомита от продолжительности и температуры прокаливания

Как видно из рис.2 и рис.3, продолжительность тепловой обработки диатомита более 60 мин незначительно влияет на содержание в нем кремнезема и величину потерь массы при прокаливании. Помимо этого, известно, что продолжительная тепловая обработка может привести к разрушению структуры диатомита.

В дальнейшем, из прокаленного диатомита и раствора гидроксида натрия были синтезированы кристаллические силикаты натрия при следующих условиях: соотношение 8Ю2:Ыа20=1:1 (вес), концентрация Ыа0Н - 25%, температура синтеза - 70°С, продолжительность синтеза - 60 мин. Количество выпаренной из системы воды составляло в среднем - 5-6%. По данным химического анализа, вне зависимости от температуры и продолжительности тепловой обработки диатомита, образовывались силикаты натрия следующего состава: 8Ю2 - 19-21%, Ыа20 - 21-23%; Н20 - 56-59%, что соответствует девятиводному метасиликату натрия Ма20-8Ю2'9Н20 [3]. Однако, кристаллические продукты отличались по цвету: кристаллы, полученные из диатомитов, обработанных при температуре 350°С, имели темно-коричневый цвет; при температуре 450°С - светло-коричневый; при температуре 520°С - желтый; при температуре 730°С и 1000°С - светло-желтый. Продолжительность тепловой обработки диатомита более 60 мин на цвет синтезируемых из него кристаллических продуктов не влияет. Поэтому следует отметить доминирующее влияние температуры процесса на качество получаемых силикатов.

Таким образом, для получения кристаллических силикатов натрия из диатомита Инзенского месторождения Ульяновской области, на основании экспериментальных данных, были выбраны оптимальные условия его тепловой обработки: температура - 500-550°С; продолжительность - 30-60 мин. Установлено, что эти режимы не влияют на химический состав кристаллических продуктов. Поэтому можно получать кристаллические силикаты натрия, только варьируя условиями синтеза. Продукт, полученный растворением прокаленного при вышеуказанных условиях диатомита в 25%-ном растворе гидроксида натрия при соотношении 8102:Иа20=1:1 (вес), температуре синтеза - 70°С и продолжительности синтеза - 60 мин, соответствует девятиводному метасиликату натрия, отвечает требованиям ТУ 2145-035-05761270-2002 [3] и может быть применен в керамической, лакокрасочной, нефтедобывающей и других отраслях промышленности.

Работа выполнена в рамках гранта, шифр заявки 2009-1.1-210-027-003, по теме «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области создания и обработки композиционных керамических материалов для машино-, авиастроения, химической промышленности и стройиндустрии».

Литература

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

2. Григорьев, П.Н. Растворимое стекло: получение, свойства и применение / П.Н. Григорьев, М.А. Матвеев. - М.: Госуд. изд-во лит-ры по строительным материалам, 1956. - 443 с.: ил.

3. ТУ 2145-035-05761270-2002. Метасиликат натрия девятиводный. - Введ. 2002-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 13 с.

© Е. Н. Филиппович - асп. каф. технологии неорганических веществ и материалов КГТУ, helen8385@rambler.ru; А. И. Хацринов - д-р техн. наук, проф. каф. технологии неорганических веществ и материалов КГТУ; А. В. Скворцов - асс. той же кафедры; А. З. Сулейманова - зав. лаб. той же кафедры.