Исследование взаимодействий в системе ценосферы - вода

УДК 543.426

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ В СИСТЕМЕ ЦЕНОСФЕРЫ - ВОДА INVESTIGATION OF INTERACTIONS IN THE CENOSPHERES-WATER SYSTEM

О. А. Федяева, Е. Г. Пошелюжная, Э. М. Рахматулина, В. А. Захаров, Т. Е. Фисенко

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

O. A. Fedyaeva, E. G. Poshelyuzhnaya, E. M. Rakhmatulina, V. A. Zakharov, T. E Fisenko

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. Методами химического анализа, кондуктометрического титрования и измерения pH изучен химический состав и кислотно-основные свойства поверхности ценосфер. Установлено, что при взаимодействии ценосфер с водой в раствор переходят анионы кремниевой кислоты, гидрокарбонаты, катионы кальция, железа и алюминия. Высказаны рекомендации по использованию ценосфер в качестве вторичного сырья для производства алюминия и при коагуляционной очистке вод.

Ключевые слова: ценосферы, химический состав, растворимость в воде.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-2-233-236

I. Введение

Золы и шлаки на 80-90 % состоят из SiO2, Al2O3, СаО, FеО, Fе2O3 и MgO. В их состав входят также соединения серы, урана, титана, ванадия, германия, галлия, несгоревшие частицы топлива. Золошлаковые отходы можно использовать как сырьё для производства строительных материалов. Например, золу тепловых электростанций используют для производства аглопоритового, керамзитового и зольного гравия.

Золы и шлаки, образуемые при сжигании углей, сланцев и торфа с содержанием оксида кальция не менее 20 % используются в качестве вяжущего компонента в производстве силикатного кирпича. При содержании СаО не более 5 % их используют в качестве кремнеземистого заполнителя. Золы, содержащие значительные количества частиц угля, применяют для производства красного кирпича. В зависимости от вида используемой глины, содержание вводимой золы может составлять 15- 80 %.

Золошлаковые отходы с содержанием СаО менее 10 % используют как минеральную добавку при производстве цемента. Концентрация горючих веществ в таких добавках не должна превышать 5 %. Сланцевую золу, содержащую 14 % оксида кальция, используют в качестве вяжущего компонента при производстве ячеистых бетонов автоклавного твердения, а золу сжигания углей с содержанием горючих 3-5 % - в качестве кремнеземистого компонента.

Золошлаковые отходы в больших объёмах используют в дорожном строительстве и в незначительных количествах при производстве минераловатных изделий. Высокое содержание оксида кальция в золе торфа и сланцев позволяет использовать её для снижения кислотности почв путём известкования. Растительная зола содержит калий, фосфор и другие микроэлементы, поэтому она широко используется в сельском хозяйстве в качестве удобрения. Отдельные виды золошлаковых отходов могут быть использованы для очистки отходящих газов ТЭС и производственных сточных вод.

Одним из перспективных способов решения проблемы утилизации золошлаковых отходов ТЭС является выделение из них ценосфер. Ценосферы - это полые стеклокристаллические алюмосиликатные микросферы, которые образуются в составе золы уноса при сжигании углей на тепловых электростанциях [1-3]. Они накапливаются в виде всплывающего шлама в специальных котлованах. Ценосферы являются хорошим наполнителем при производстве изделий из пластмасс, гипса, керамики, облегченных цементов и др. Изделия с их добавлением обладают повышенной износостойкостью, легкостью, высокими изоляционными свойствами и низкой стоимостью [3; 4]. Ценосферы могут быть использованы также в качестве сорбентов для очистки сточных вод [5, 6] и кондиционирования жидких радиоактивных отходов [7], и здесь важно знать их устойчивость к воздействию водных растворов.

II. Постановка задачи

Целью нашей работы явилось исследование взаимодействия ценосфер с водой. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) исследовать химический состав и морфологию поверхно-

сти образцов ценосфер; 2) изучить кислотно-основные свойства их поверхности; 3) определить состав водных фильтратов ценосфер.

III. Методика экспериментов

Химический состав образцов ценосфер определяли методом химического анализа по ГОСТ 5382-91. Морфологию и размеры частиц определяли методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на приборе JSM-6460LV «JEOL».

Кислотно-основные свойства их поверхности изучали методом кондуктометрического титрования. Исследуемые образцы помещали в колбы с метилэтилкетоном и после установления адсорбционного равновесия оттит-ровывали раствором этилата калия. По данным измерений строили дифференциальные кривые и определяли

концентрацию кислотно-основных центров (г-экв/г) на поверхности ценосфер по формуле:

1 '

где С2 - нормальная концентрация этилата калия; V - объём этилата калия, пошедшего на титрование; V: -объём раствора метилэтилкетона, взятого для анализа; т - навеска адсорбента.

Взаимодействие ценосфер с водой изучали методом химического анализа. Образцы ценосфер (по 1 г) помещали в колбы с дистиллированной водой и оставляли на 5 суток. Полученные растворы анализировали на содержание в них кремниевой кислоты, ионов А1+3, Бе+3, Са2 и (НС03)- [8]. Водородный показатель (рН) водных суспензий ценосфер определяли на иономере АНИОН 4100.

IV. Результаты экспериментов и обсуждение

Исследования химического состава ценосфер показали, что они представляют собой сложную многокомпонентную систему SiO2 - А1203 - СаО - (№, К)20 - ТЮ2 - Бе203 - Р205 - С02 с преимущественным содержанием А1203 и SiO2 (таблица). По данным СЭМ исследований (рис. 1) установлено, что ценосферы имеют пенистую структуру, размеры частиц изменяются от 0,05 до 0,2 мм.

ТАБЛИЦА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЦЕНОСФЕР

Компонент СО2 №20 А12О3 Si02 Р2О5 К2О СаО ТЮ2 Бе203

Масс. % 8,4 0,5 32,5 50,5 1,8 0,6 2,6 1,3 1,8

Рис. 1. СЭМ изображение ценосфер

Измерения рН водной суспензии ценосфер с частичной концентрацией 1 г/ 25 мл показали щелочной характер среды (рис. 2). Постоянное значение рН устанавливается в течение 10 минут.

Результаты кондуктометрического титрования (рис. 3) показали, что на поверхности ценосфер в результате адсорбции воды образуется 0,163 мг-экв/г центров одной природы. Ими могут быть ОН - группы.

Химический анализ растворов показал, что ценосферы растворяются в воде. В ней обнаружены кремниевая кислота (70 мкг/г), ионы А1+3 (8,4 мкг/г), Бе+3 (0,2 мг/г), Са+2 (3,5 мг/г) и НС03- (73,2 мкг/г). Растворимость це-носфер в воде составляет 76,9 мг/г образца. Появление в растворе этих ионов с учётом химического состава ценосфер можно описать следующими реакциями.

Рис. 2. Изменение pH водной суспензии ценосфер со временем

Рис. 3. Дифференциальные кривые кондуктометрического титрования ценосфер этилатом калия:

1 - исходных, 2 - выдержанных в воде 5 суток

Оксид кальция при растворении в воде образует гидроксид, который в присутствии адсорбированного углекислого газа может частично перейти в карбонат и гидрокарбонат кальция:

CaO + H2O ^ Ca(OH)2,

Ca(OH)2 + ТО2 ^ CaCOз + H2O,

CaCO3 + H2O + ТО2 ^ Ca(HCO3)2.

Диоксид кремния при растворении в воде образует анионы кремниевой кислоты, которые гидролизуются c выделением гидроксильных ионов:

(^Ю3)- + Н20 ~ Н^Ю3 + ОН-.

Поскольку оксиды алюминия и железа нерастворимы в воде, а по данным химического анализа в водном растворе обнаружены их ионы, то можно предположить, что часть оксидов Al2O3 и Fe2O3, прилегающих к поверхности, при взаимодействии с водой образуют гидроксопентааквакомплексы, которые под действием теплового движения переходят в раствор:

Fe2O3 + 13H2O ^ 2[Fe(H2O)5(OH)]2+ + 4OH-Al2O3 + 13H2O ^ 2[Al(H2O)5(OH)]2+ + 4OH-.

Таким образом, при взаимодействии ценосфер с водой на их поверхности увеличивается содержание гид-роксильных групп, по-видимому, связанных с атомами кремния и алюминия.

V. Выводы и заключение

Исследования взаимодействия воды с ценосферами показали, что они способны растворяться. Растворение сопровождается поступлением в раствор кремниевой кислоты, ионов Al+3, Fe+3, Ca2 и OH-групп. Содержание алюминия в ценосферах в виде Al2O3 составляет 32,5 %, поэтому они могут быть использованы как вторичное сырьё для его производства. Водные фильтраты ценосфер можно применять в качестве коагулянта для очистки природных и сточных вод от мелкодисперсных примесей.

Авторы благодарят ст. науч. сотр., канд. хим. наук Тренихина М.В. за проведение СЭМ исследований в Омском научном центре СО РАН.

Список литературы

1. Чайка Е. А., Левицкая Т. Д., Лайнер Ю. А. [и др.]. Новые технологии переработки отходов в электроэнергетике // Российский химический журнал. 1994. Т. 38, № 3. С. 82-85.

2. Охотин В. Н., Медведев В. И., Лайнер Ю. А. [и др.]. Комплексная переработка зол от сжигания подмосковных углей с выделением ценных компонентов // Энергетическое строительство. 1994. № 7. С. 67-69.

3 Архипов И. И., Кисеньгорф А. Б., Краснова Г. В. [и др.]. Современные теплоизоляционные материалы: обзор. М.: Химия, 1980. 286 с.

4. Феднер Л. А., Суханов М. А., Шпирт М. Я. Трудносгораемый теплоизоляционный материал // Строительные материалы. 1995. № 3. С. 22- 23.

5. Chen Shufu, Cao Gengyu. Photocatalytic degradation of organophosphorus pesticides using floating photocata-lyst TiO2^SiO2 beads by sunlight // Solar Energy. July 2005. Vol. 79, Iss. 1. P. 1-9.

6. Pang Weihai, Gao Nai-yun, Deng Yang, Tang YU-lin. Novel photocatalytic reactor for degradation of DDT in water and its optimization model // Journal of Zhejiang University. Science A. Springer Journals - may 1. 2009. Vol. 10, № 5.

7. Vereshchagina T. A., Vasilieva N. G., Vereshchagin S. N., Paretskov E. N., Zykova I. D., Kruchek D. M., Mana-kova L. F., Tretyakov A. A., Anshits A. G. Porous materials based on cenospheres of coal fly ash for fixation of Cs-137 and Sr-90 in mmeral-like alummosilicates // Scientific Basis for Nuclear Waste Management XXIX (Mat. Res. Soc. Symp. Proc.); edited by P. Van Iseghem. Warrendale, PA: Materials Research Society, 2006. V. 932. P. 591- 598.

8. Лурье Ю. Ю. Унифицированные методы анализа вод. М.: Химия, 1973. 376 с.

УДК 661.666.4

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ СТРУКТУРЫ ЧАСТИЦ ТЕХНИЧЕСКОГО УГЛЕРОДА ПОСЛЕ ТЕРМОГАЗОХИМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ МЕТОДОМ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

STUDY OF STRUCTURAL CHANGES PARTICLE OF CARBON BLACK UNDER THE EFFECT OF

THERMAL AND GAS-CHEMICAL MODIFICATION BY VIBRATORY SPECTROSCOPY METHODS

А. Г. Шайтанов1, Ю. В. Суровикин1,2, А. В. Сырьева1, А. Б. Арбузов1 'Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, г. Омск, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

A. G. Shaitanov1, Yu. V. Surovikin1,2, A. V. Syrieva1, A. B. Arbuzov1 'Institute of Hydrocarbons Processing SB RAS, Omsk, Russia 2Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. Рамановская и инфракрасная спектроскопия были использованы для характеристики частиц промышленных марок технического углерода (ТУ), подвергшихся термогазохимической модификации (ТГХМ): термоокислительной, термической и газотермической или их сочетаний. Методы колебательной спектроскопии отражают характерные для каждого вида обработки изменения частоты, ширины линий и отношений интенсивностей основных наблюдаемых пиков. Анализ этих данных при